Autor: Marcelina Olszak
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie
Wzrost liczby ludności na świecie oraz znaczny rozwój przemysłu spowodowały wiele niekorzystnych zmian w środowisku przyrodniczym. Jednym z nich jest kumulacja substancji chemicznych i biologicznych uwalnianych przez przemysł i gospodarstwa domowe. Przekroczenie dopuszczalnego poziomu skażenia środowiska poszczególnymi substancjami może mieć poważne konsekwencje zarówno dla zdrowia ludzi jak i zwierząt. Ponadto zachwiać może równowagę pomiędzy populacjami organizmów, które zasiedlają dane terytorium.
Troska o czystość środowiska wymaga obecnie szukania nowych, alternatywnych sposobów jego oczyszczania. Obiecującą i szybko rozwijającą się metodą jest fitoremediacja. Polega ona na zastosowaniu roślin, które są zdolne do wzrostu w skażonym środowisku, a oprócz tego oddziałują na biologiczne, chemiczne i fizyczne procesy mające na celu usunięcie substancji szkodliwych z układu biologicznego. Pierwsze próby użycia roślin do rolniczego zagospodarowania ścieków komunalnych zostały podjęte w Niemczech na początku XIX wieku. Pomimo, że od dawna jest doceniana rola roślin w oczyszczaniu powietrza w wielkich aglomeracjach miejskich to największe zainteresowanie techniką fitoremediacji nastąpiło dopiero na początku lat osiemdziesiątych. Dostrzeżono wtedy, że rośliny mają zastosowanie nie tylko w przypadku oczyszczania ścieków bytowo-gospodarczych, ale także do usuwania metali ciężkich i ksenobiotyków organicznych z gleby.
Rośliny wykazują dużą skuteczność w usuwaniu substancji toksycznych, ponieważ mają zdolność do efektywnego pobierania i degradacji szkodliwych związków. Rośliny wbudowują je we własne komórki lub aktywnie metabolizują toksyny. Mogą one oddziaływać na substancje toksyczne w różnorodny sposób w zależności od właściwości zanieczyszczeń, gatunku rośliny oraz warunków panujących w otoczeniu. Z tego względu wyróżnia się kilka sposobów fitoremediacji:
• fitoekstrakcja – roślina pobiera zanieczyszczenia z gleby przez system korzeniowy, a następnie transportuje je i akumuluje w tkankach. Jest to technika najczęściej stosowana w przypadku gleb i osadów skażonych substancjami nieorganicznymi takimi jak metale ciężkie oraz substancje radioaktywne. Tolerancja roślin na wysokie stężenia zanieczyszczeń oraz możliwość ich akumulacji zależy od odpowiednich mechanizmów pozwalających na ich unieczynnienie. Ksenobiotyki pobrane przez roślinę są gromadzone w wakuolach lub wchodzą w reakcje ze związkami znajdującymi się w roztworze cytoplazmy. Wzrost pobierania jonów metali uzyskać można poprzez dodatek do podłoża syntetycznych, organicznych związków chelatujących. Po zakończeniu okresu wegetacji rośliny usuwa się z oczyszczanej powierzchni za pomocą maszyn rolniczych. Następnie są one poddawane procesom termicznym, chemicznym, fizycznym lub mikrobiologicznym w celu skoncentrowania ksenobiotyku. Rośliny wykorzystywane w tej metodzie to np.: tasznik Thlaspi caerulescens, gorczyca sarepska Brassica Juncewa, Sebertia acuminata.
• fitodegradacja – roślina pobiera zanieczyszczenia z miejsc skażonych, a następnie na drodze metabolicznej dochodzi do ich transformacji za pomocą kompleksów enzymatycznych (głównie dehalogenaz, nitroreduktaz, nitrylaz, peroksydaz, oksydoreduktaz, fosfataz). Technika ta może zachodzić również na zewnątrz roślin – w ich strefie korzeniowej, z udziałem enzymów degradujących wydzielanych do środowiska. Fitodegradacja znalazła zastosowanie w usuwaniu zanieczyszczeń organicznych z gleb, osadów, wód gruntowych i powierzchniowych. Rozkład pobranych przez roślinę związków jest całkowity do dwutlenku węgla i wody lub częściowy. Pochodne częściowego rozkładu mogą być wbudowywane w struktury roślinne na drodze lignifikacji. Degradacji ulegają m. in. węglowodory, alkohole, fenole, kwasy, estry, aminy. Przykłady roślin: rabarbar Rheum palma tum, morwa czarna Morus nigra.
• ryzofiltracja – mechanizm tej metody opiera się na zdolności wybranych gatunków roślin wodnych do adsorpcji lub wytrącania ksenobiotyków na powierzchni korzeni lub pobierania i akumulacji zanieczyszczeń w tkankach korzeni. Wykorzystywana jest ona głównie do usuwania jonów metali ciężkich i pierwiastków radioaktywnych występujących w niskich stężeniach w środowisku wodnym. Sorpcja zanieczyszczeń polega na złożonych oddziaływaniach fizykochemicznych pomiędzy rośliną i ksenobiotykiem głównie poprzez procesy wymiany jonowej i chelacji. Procesy te mogą zachodzić również na martwej tkance korzeniowej. Wykorzystuje się tu rośliny: hiacynt wodny Eichhornia crassipes, rzęsa wodna Lemna mino.
• fitostabilizacja – polega na unieruchomieniu zanieczyszczeń w strefie korzeniowej, przez co dalsza ich migracja nie jest możliwa. Po zatrzymaniu zanieczyszczeń następuje ich redukcja, nie degradacja. Immobilizacja ksenobiotyków może zachodzić głównie na drodze absorpcji i akumulacji w korzeniach roślin, adsorpcji na powierzchni korzeni bądź na skutek wytrącania w strefie ryzosferowej. Związki organiczne oraz dwutlenek węgla wydzielane do ryzosfery mogą zmieniać potencjał oksydoredukcyjny gleby oraz redukować jony metali toksycznych do form niedostępnych dla roślin. Rośliny także zmniejszają biodostępności szkodliwych jonów na drodze wytrącania ich w postaci nierozpuszczalnych soli. Unieruchomione substancje charakteryzują się ograniczoną zdolnością do przemieszczania się w glebie oraz w wodach gruntowych. Metoda ta jest wykorzystywana szczególnie na dużych obszarach, gdzie występuje wiele niemobilnych zanieczyszczeń. Oczyszcza się nią gleby, ścieki, i osady z metali ciężkich.
• fitoewaporacja – roślina pobiera zanieczyszczenia, następnie dochodzi do ich transpiracji i odparowania w zmodyfikowanej formie. Ma to zastosowanie szczególnie w środowisku wodnym oraz w przypadku gleb skażonych selenem, arsenem lub rtęcią. Fitoodparowaniu jednak mogą ulegać również wybrane związki organiczne jak: benzen, trójchloroetylen, fenol, nitrobenzen i atrazyna. Fitoewaporacja postrzegana jest jako metoda ryzykowna ze względu na toksyczność pierwiastków występujących w dużych stężeniach.
Mikroorganizmy zasiedlające strefę przykorzeniową roślin mogą w znaczny sposób przyczyniać się do zwiększenia wydajności fitoremediacji. Bakterie ryzosferowe poprzez dostarczanie składników mineralnych i syntezę fitohormonów mogą stymulować wzrost roślin. Jednocześnie są one zdolne do obniżenia poziomu etylenu wpływającego niekorzystnie na ukorzenianie się roślin. Ponadto mikroorganizmy te mogą chronić rośliny przed niekorzystnym wpływem zanieczyszczeń organicznych i metali ciężkich oraz przed działaniem fitopatogenów.
Do niewątpliwych zalet fitoremediacji zaliczyć można:
• oczyszczanie środowiska z substancji szkodliwych,
• brak konieczności stosowania dodatkowych substancji ekstrahujących,
• zastosowanie metody in situ,
• zmniejszenie erozji gleby dzięki systemom korzeniowym roślin,
• dodatkowa produkcja biomasy,
• zwiększenie atrakcyjności terenów objętych tą techniką,
• stosunkowe niskie koszty,
• zwiększenie aktywności i liczebności mikroorganizmów glebowych, dzięki uwalnianiu do gleby enzymów roślinnych.
Techniki fitoremediacji posiadają również swe ograniczenia:
• długi czas oczyszczania,
• zbyt toksyczne substancje mogą prowadzić do obumarcia roślin,
• efektywność metody zależna od sezonu wegetacyjnego, ilości opadów, pH i żyzności gleby,
• możliwość kumulacji zanieczyszczeń lub ich metabolitów w tkankach roślin,
• możliwość transferu substancji toksycznych do wyższego poziomu troficznego,
• konieczność ścisłej kontroli nowo wprowadzanych gatunków w celu zachowania bioróżnorodności,
• duża część metod jest wciąż w fazie eksperymentalnej.
Zjawosko fitoremediacji może być również wykorzystywane w warunkacj domowych. Do tego celu wykorzystuje się rośliny m.in.: Filodendron pnący (Philodendron scandens), Zielistka (Chlorophytum comosum), Figowiec benjamiński (Ficus Benjamina), Wężownica gwinejska (Sansevierria trifasciata). Rośliny te pochłaniają tlenek węgla i azotu, nikotynę oraz formaldehyd.
Literatura:
1. Dąbrowska G., Hrynkiewicz K., Kłosowska K., Goc A.: Selekcja bakterii ryzosferowych usprawniających procesy fitoremediacji gleb zawierających związki metali ciężkich. Ochrona Środowiska, 33, 2, 2011.
2. Hanus-Fajerska E., Augustynowicz J., Muszyńska E., Koźmińska A.: Organizmy przydatne w oczyszczaniu środowiska z nadmiernych stężeń pierwiastków metalicznych. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 50, 2011.
3. Marecik R., Króliczak P., Cyplik P.: Fitoremediacja – alternatywa dla tradycyjnych metod oczyszczania środowiska. Biotechnologia, 3, 74, 2006.
4. Posmyk K., Urbaniak M.: Fitoremediacja jako biologiczna metoda oczyszczania środowiska. Aura 7, 2014.
5. www.eko-samorzadowiec.pl
