Растения гипераккумуляторы тяжелых металлов
Обновлено: 07.07.2024
Истощение запасов полезных ископаемых, сокращение финансирования геологоразведочной деятельности, снижение темпов и количества вновь открываемых месторождений — все вместе это приводит к развитию альтернативных способов промышленного извлечения ценных компонентов из вторичного сырья, техногенных и нерентабельных для освоения месторождений. Развиваются как хорошо известные технологии переработки и обогащения, так и совершенно новые направления, в частности метод фитодобычи (англ. phytomining), фиторазведка (в частности бриогеохимия). Извлечение металлов из отходов весьма перспективное направление также для рекультивации рудников, очистке хвостохранилищ и других типов отходов добычи с целью превращения их в сельхозугодия.
О понятии «фитодобыча»
Термином «фитодобыча» описывают использование растений-гипераккумуляторов для извлечения ценных элементов из отработанных месторождений или месторождений с низкими содержаниями. Эти виды растений способны накапливать металлические компоненты в исключительно больших количествах. Также с фитодобычей связаны такие родственные понятия, как фитогеология (выявление геохимических аномалий по растениям), фитоизвлечение, агродобыча (комплексная цепочка использования растений-гипераккумуляторов для получения ценных элементов), фиторекультивация (использование растений для переработки отходов, борьбы с эрозией почвы и т.д., то есть для сохранения окружающей среды).
Фитодобыча предполагает выращивание растений определенного вида на месте расположения отходов добычи, например на отвалах хвостов, а также на нерентабельных для освоения месторождениях. В процессе своей жизнедеятельности растения вместе извлекают из почвы частицы ценных компонентов, например золота, постепенно накапливая их в стеблях или листьях. Затем биомассу собирают, сушат и перерабатывают, в частности гидро- или пирометаллургическим способом с получением конечного продукта.
Исследования в области фитодобычи
Наибольшее количество видов известных растений-гипераккумуля-торов лучше, чем любой другой элемент, поглощают никель. Вероятно, именно по этой причине больше всего работ в области фитодобычи связано с этим металлом. Исследования, проведенные в 1990-х годах, показали, что некоторые виды могут дать от 200 до 400 кг Ni с гектара.
В 2014 г. ученые из Университета Филиппин (англ. University of the Philippines) обнаружили в западной части острова Лусон новую разновидность растений, Rinorea niccolifera (рис. 1), способную аккумулировать в своих листьях никель до 18 тысяч частей на миллион, что в сотни раз выше содержания этого металла на месторождениях промышленного типа. В данный момент специалисты австралийского Центра восстановления земель при Квинслендском университете (англ. University of Queensland) при сотрудничестве Университета Лотарингии (Université de Lorraine, Франция) изучают фитодобычу никеля в тропических условиях в Сабахе (Малайзия, рис. 2). Кроме того, французское учреждение реализует проекты полевых испытаний в Греции, Испании и Албании.
Существует множество трудных для извлечения растениями металлов, к их числу относится и золото, поскольку оно практически не растворяется в грунтовых условиях и поэтому слабо аккумулируется растениями. Для аккумулирования драгоценный металл должен принять растворимую форму. Но некоторые представители флоры выделяют естественные вещества, способные воздействовать на золото. Как показал ряд исследований, для обработки хвостов и фитоизвлечения из них ценного компонента можно использовать такие выщелачиватели, как цианид и тиоцианат, хотя, во избежание загрязнения, это должно проводиться в замкнутой среде.
Первые работы по гипераккумуляции золота появились в конце 1990-х годов. Согласно им, концентрация золота в горчице сарептской Brassica juncea, произрастающей на руде с низким содержанием, достигала 39 мг/кг (по сухому весу). По сравнению с обычной концентрацией золота в растениях (менее 0,1 мг/кг) полученные результаты исследователей удивили.
Над адаптацией метода фитоизвлечения золота, а также для получения палладия и других металлов платиновой группы, работали в Йоркском и Йельском университетах (англ. University of York, University of Yale), а также в Университете Британской Колумбии (англ. University of British Columbia). Также золото было обнаружено в коре и листьях эвкалипта, произрастающего в районе золотых месторождений Калгурли в Западной Австралии. Сегодня изучается возможность обнаружения новых залежей драгоценного металла по всему Зеленому континенту.
В перспективе фитодобыча может быть полезна для тех районов, где ведется интенсивная кустарная и мелкомасштабная золотодобыча, поскольку эта технология не только позволяет очищать почву и воду, она может стать основой для возникновения нового привлекательного для кустарных добытчиков направления — добычи с помощью растений.
Активные научно-исследовательс-кие работы ведутся специалистами южноафриканской организации Mintek, а именно Тшиамо Легоале (Tshiamo Legoale), предложившей извлекать золото из растений, специально выращиваемых на хвостовых отвалах золотодобычи, которых в стране, по некоторых оценкам, насчитывается до 18 млн тонн. В апреле 2017 г. со своей идеей она выиграла южноафриканский этап престижного конкурса Famelab.
В 2012 г. исследователи из научных центров Green Chemistry Centre of Excellence и Centre for Novel Agricultural Products (CNAP) занялись разработкой нового способа извлечения металлов платиновой группы из хвостов, отвалов и других отходов горнодобывающей деятельности. Проект стоимостью $1,4 млн получил название PHYTOCAT. Первые исследования показали, что, помимо прочего, растения, используемые для фитодобычи, могут после специальной обработки применяться в других отраслях, например в производстве каталитических конвертеров для контроля выбросов в атмосферу продуктов сгорания.
В октябре-ноябре 2014 г. группа ученых из ЮАР и Бельгии при поддержке Университета Коппербелт (англ. Copperbelt University) провели полевые исследования возможностей фитодобычи на различных участках добычи меди и кобальта в Замбии, в частности на руднике Kansanshi, принадлежащем канадской компании First Quantum Minerals.
Перспективы фитодобычи
Как отмечает сотрудник Совета по научным исследованиям Австралии (англ. Australian Research Council) Квинслендского университета и Университета Лотарингии доктор наук Энтони ван дер Энт (Antony van der Ent), фитодобыча создает новые возможности освоения ресурсов минерального сырья, она будет использоваться все шире и шире в свете повышения спроса на редкие и драгоценные металлы. Работа Э. ван дер Энта посвящена биогеохимии, он специализируется на растениях-гипераккумуляторах и входит в команду исследователей, занимающихся вопросами фитодобычи в азиатско-тихоокеанском регионе.
Как было отмечено выше, растения-гипераккумуляторы могут оказаться полезными при рекультивации рудников, очистке хвостохранилищ или других типов отходов добычи (рис. 3).«Специально приспособленные для выполнения этих задач, растения-гипераккумуляторы могут сыграть невероятно большую роль в удалении токсичных отработанных продуктов и металлов в сельскохозяйственных целях», — уверен профессор Международного университета Флориды (англ. Florida International University) Стивен Хаггерти (Stephen Haggerty).
В дополнении к словам С. Хаггерти можно отметить, что фитодобыча имеет перспективы не только с точки зрения очистки земель под сельскохозяйственные и другие нужды, но и является отличным способом обеспечения занятости и заработка там, где почва недостаточно богата для выращивания продуктов питания, то есть фактически может рассматриваться в качестве альтернативы, возможно даже более прибыльной, фермерству.
В то же время эффективность фитодобычи во многом определяется извлекаемым компонентом, его ресурсами, и способностью растений-гипераккумуляторов произрастать в определенных районах, извлекая целевой металл, — это, как указывает Э. ван дер Энт, основной фактор применимости данного метода в каждом конкретном случае. По мнению ученого, в конечном счете фитодобыча будет развиваться и работать так же, как сельское хозяйство, а количество и качество продукта — в данном случае металлов, их солей и каталитических материалов — определяться рынком.
Тем не менее, несмотря на большой и еще нереализованный потенциал, прогресс в фитодобыче на сегодняшний день достаточно ограничен. Э. ван дер Энт отмечает, что горнодобывающая промышленность медленно перенимает «радикально новые» способы получения полезных ископаемых. В этом смысле важно понимать, что эта область не станет конкурировать с добычей традиционной. «Нишей агродобычи станет разработка низкокачественных, расположенных у поверхности месторождений, залегающих в ультрамафическом грунте, проекты по рекультивации отработанных обычным способом участков», — рассказывает Э. ван дер Энт, добавляя, что для решения производственных задач и предоставления действительных доказательств возможностей фитодобычи необходимо показать горнодобывающей промышленности экономическую модель, продемонстрировать ее эффективность в крупном масштабе.
Растения могут использоваться не только в добыче, но и при поиске новых месторождений различных металлов — золота, серебра, платины, свинца, цинка, меди, молибдена. Исторические документы показывают, что такой метод поиска существовал еще в V веке в Китае. Наука доказала, что между определенными видами растений и их геофизическим окружением есть зависимость. Так, например, на территории Либерии (Западная Африка) была замечена тесная связь между местами произрастания растения вида Pandanus candelabrum и кимберлитовыми трубками, поэтому его использовали в качестве индикатора для поиска месторождений алмазов. Также в Швеции еще во времена Средневековья использовали смолевку шведскую Lychnis alpina, а в Центральной Африке Haumaniastrum katangense для определения наличия меди.
На ферме, где из растений добывают металл
Некоторые из земных растений полюбили металл. Их корни работают практически как магниты, и эти организмы – а их известно около 700 – процветают на богатых металлом почвах, на которых сотни тысяч других видов растений погибают.
Если сделать надрез на одном из таких деревьев, или обработать листья подобного кустарника на прессе для масла, можно получить сок неонового зелёно-голубого цвета. Этот сок на четверть состоит из никеля – и это куда как более сильная концентрация металла, чем можно встретить в руде, которую отправляют на никелевые плавильни по всему миру.
Растения не просто собирают минералы из почвы, включая их в свои тела – они накапливают их до “невообразимых” объёмов, сказал Алан Бейкер, профессор ботаники из Мельбурнского университета, исследовавший взаимоотношения растений с почвой с 1970-х годов. Эти растения может быть наиболее эффективной в мире плавильной печью для минералов с питанием от солнечной энергии. Что, если можно было бы частично заменить традиционную добычу минералов, дорогую по затратам энергии и вреду окружающей среде, на добычу никельсодержащих растений?
Бейкер вместе с международной командой коллег решили убедить в мир в том, что эта идея – не просто некий забавный мысленный эксперимент. И команда доказала это на небольшом масштабе, на клочке земли, взятом в аренду у деревни на малазийской стороне острова Борнео. Каждые 6-12 месяцев фермеры срезают порядка 30 см с этих растений-гипераккумуляторов, и выжигает или выжимает из них металл. После краткой процедуры очистки фермеры получают порядка 250 кг цитрата никеля, что может стоить на международных рынках несколько тысяч долларов.
Сегодня команда готовится к крупнейшему в мире эксперименту на площади порядка 20 га, а его целевой аудиторией будет индустрия добычи. Исследователи надеются, что за десять лет значительную часть ненасытного потребительского спроса на неблагородные металлы и редкие минералы можно будет удовлетворить при помощи такого же сбора растений, в результате которого мир получает кокосы или кофе.
Сок растения окрашивает тестовую бумажку в красноватый цвет, что говорит о высоком содержании никеля
Сукаибин Сумейл добывает никельсодержащий сок из гипераккумуляторов в Малайзии
По словам Бейкера, фитомайнинг, или извлечение минералов из растений-гипераккумуляторов, не может полностью заменить традиционную добычу. Однако одна из дополнительных ценностей этой технологии – возможность извлекать пользу из мест с токсичной почвой. Владельцы небольших ферм могли бы выращивать такие растения на почвах, богатых металлом, а горнодобывающие компании – для очистки бывших шахт и отходов, даже получая при этом некоторую прибыль.
“Это как вишенка на торте”, – сказал Бейкер.
Отец современной плавки, Георгий Агрикола, понимал этот потенциал ещё 500 лет назад. В свободное время он добывал минералы из растений. В XVI веке он писал: если знать, на какие свойства листа обращать внимание, можно понять, какие металлы лежат под ним в земле.
Руфус Чейни, бывший агрономом в министерстве сельского хозяйства США 47 лет, изобрёл слово “фитомайнинг” в 1983 году, и вместе с Бейкером помог провести первые испытания в Орегоне в 1996. Его имя обессмертили в названии одного из высасывающих никель растений, использованном на малазийской делянке.
Сегодня, после того, как эта технология была заперта патентными заявками, “эта система полностью отпускает тормоза”, – сказал Бейкер. Патентные ограничения сняты, и учёные надеются, что технология сможет пойти на пользу мелким фермерам в Малайзии и Индонезии.
“Мы надеемся, что мы сможем продемонстрировать её и её жизнеспособность, показать людям, как она работает”, – добавил Энтони ван дер Энт, ботаник из Института экологически устойчивых минералов при Квинслендском университете в Австралии. Малазийский проект начался с его диссертации.
Никель – важнейший элемент для получения нержавеющей стали. Его соединения всё чаще используют в аккумуляторах для электромобилей и возобновляемой энергии. Для растений он токсичен, как и для людей – в больших дозах. Там, где добывают никель, умирает земля.
В тех местах, где в почве естественным путём скапливается никель – а обычно это тропики и средиземноморский бассейн – растения либо адаптировались, либо вымерли. В Новой Каледонии – французской колонии, по площади сравнимой с Ивановской областью, расположенной на юге Тихого океана – это основной источник никеля, и там ботаники насчитали не менее 65 растений, обожающих никель.
Чаще всего из металлов растения предпочитают именно никель. Есть и такие, что извлекают из почвы кобальт, цинк и другие необходимые человеку минералы. В то время, как новые электронные устройства взвинчивают спрос на редкие минералы, компании исследуют даже такие их источники, как дальний космос или дно океана. Однако куда как менее изученной остаётся старейшая технология человечества: сельское хозяйство.
В литературе по фитомайнингу, или агромайнингу, описывается будущее, в котором машина и растение существуют совместно: биоруда, металлические фермы, металлические культуры. “Плавка растений” звучит так же нелепо, как “вырезание кислорода”.
Растения на небольшом участке земли в Саба, Малайзия, могут выдавать сотни килограмм цитрата никеля каждые 6-12 месяцев
Сторонники фитомайнинга наибольший потенциал видят в Индонезии и на Филиппинах, двух крупнейших производителях никеля в мире, где на сотнях шахт переплавляют почву. В двух этих странах наверняка растут множество растений-гипераккумуляторов, однако исследования в этой области велись редко.
Гипераккумуляторы не просто терпят металлы: их корням они необходимы. Но зачем? Никель может помогать растениям отпугивать вредителей, или, возможно, добывать из почвы редкий калий. Так или иначе, для увеличения никелефилии растений не требуется их генетически модифицировать или заниматься селекцией. Природные плавильни уже настолько эффективны, насколько горнодобывающая индустрия хотела бы.
Потенциально они способны решить крупнейшую проблему горнодобывающей индустрии: заброшенные шахты, загрязняющие грунтовые воды. На такой шахте, засаженной гипераккумуляторами, можно было бы собрать оставшиеся металлы и получить дополнительный доход. Такая мотивация может убедить компании вложиться в реабилитацию отходов горной добычи.
Пока что для традиционных способов извлечения никеля для использования в электронных устройствах нужно много энергии – которую часто добывают из угля и дизельного топлива – а после них остаются горы кислотных отходов. Типичная плавильня стоит сотни миллионов долларов и требует руды, содержащей не менее 1,2% никеля, которой становится всё меньше.
Растения же на небольшой никелевой ферме можно собирать каждые шесть месяцев, причём на почве с содержанием никеля всего около 0,1%. Через пару десятилетий корни уже с трудом будут находить никель, однако земля будет полностью очищена от токсичных металлов и достаточно плодородна для того, чтобы поддерживать рост более традиционных культур.
Тот факт, что никелевые культуры могут быть такими продуктивными и прибыльными, даёт основания опасаться того, что фермеры могут потребовать открыть тропические леса для обработки земли. Это напоминает другую тему – пальмовое масло, прибыльное дело, которое уничтожило природные леса Борнео. Однако исследователи считают это маловероятным. На землях с наибольшим потенциалом к фитомайнингу обычно растёт только трава, и мало какие другие растения будут расти на земле, выбранной для минерального сельского хозяйства.
“Мы можем выращивать эти растения на площадях, уже освобождённых от леса, – сказал Бейкер. – Это способ возвращать природе, а не забирать у неё”.
Растения гипераккумуляторы тяжелых металлов
У широкоформатной печати есть особые конкурентные преимущества, которые выделяют ее на фоне других видов рекламы. Стоит обозначить, что в первую очередь, это мощная, но простая коммуникация, которая является важным фактором в достижении успеха в любом бизнесе.
Москва – потрясающий город с удивительными красотами. Чтобы осмотреть все многочисленные достопримечательности, понадобится не меньше месяца. И все же существуют «самые главные» места, которые стоит посетить, даже если на знакомство с Москвой отведен всего один день.
Бокалы для шампанского из цветного хрусталя Богемия радуют своим разнообразием форм и отделки. Производство посуды осуществляется профессиональными мастерами, которые работают в чешской провинции. Технология изготовления впервые была воссоздана в 18 столетии, но сегодня модернизирована и успешно реализована.
Насчитывается около 450 видов таких растений. Растения-сверхнакопители (гипераккумуляторы) способны накапливать в своих органах металлы: их концентрации ка один-три порядка превышают концентрации металлов в тканях обычных растений. Встречаются на территориях сильного загрязнения металлами. В золе представителей так называемой галмейной растительности (виды растений — индикаторов цинковых руд) концентрация оксида цинка достигает 10-20%, что более чем в 150 раз превышает средний уровень, характерный для растительности суши. Сверхнакопление установлено для следующих элементов: цинка (до 4% от биомассы надземных органов), никеля (до 3,8%), кобальта (до 1,2%), селена (до 0,4%), кадмия (до 0,2%), мышьяка (до 0,75%).
Типичные растения — сверхнакопители никеля — видов сем. Brassiacaceae (Alyssum, Thlaspi), цинка — сем. Brassicaceae (Thlaspi), меди и кобальта — сем. Lamiaceae, Scro-phulariaceae. Более 75% обнаруженных видов-гипераккумуляторов входят a группу накопителей никеля. Большинство из них относится к семействам Asteraceae (27), Brassicaceae (82), Buxaceae (17), Euphorbiaecae (83), Flacourtiaceae (19), Rubiaceae (12), Violaceae (9), произрастают в тропических и субтропических зонах: Куба, Новая Каледония, Индонезия, Филиппины, Бразилия, Австралия, Южная Африка, Средиземноморье.
Закономерности распределения никеля по органам к тканям растений подробно отражены в работе И.В. Серегина и А.Д. Кожевниковой. Большинство растений накапливают никель преимущественно в корнях, по крайней мере, до пороговой концентрации этого металла s почве. Превышение этого порога может сопровождаться бесконтрольным накоплением никеля в побегах и гибелью растений. Гипераккумулятор Sehertia acuminata накапливал больше всего никеля в стебле, особенно во флоэме, и плодах. Аккумуляция никеля в плодах уменьшалась в следующей последовательности: рудиментарный эндосперм > мякоть плода > ткани семядолей зародыша > кожура плода > семенная кожура. В корнях кукурузы содержание никеля в протопластах клеток выше, чем в клеточных оболочках. Наибольшая концентрация обнаружена в эндодерме и перицикле. Следовательно, эндодерма не препятствует, как s случае с кадмием и свинцом, поступлению никеля в ткани центрального цилиндра корня. Скопление никеля обнаружено и в местах перфорации сосудов ксилемы, что может рассматриваться как один из механизмов ограничения транспорта никеля в надземные органы растений. Связывание в ксилемном соке — еще один механизм детоксикации металлов в растениях-гипераккумуляторах.
В естественной среде обитания представители диких видов — сверхаккумуляторов металлов обычно характеризуются медленным ростом, небольшой биомассой, ограниченной селективностью к металлам. Виды рода Thlaspi преимущественно обитают на обогащенных никелем почвах и могут накапливать до 3% этого металла от сухой массы. Однако некоторые виды этого рода отличает способность аккумулировать одновременно несколько металлов: Т. caerulescens — кадмий, никель, свинец, цинк; T. goesingense и Т. ochroleucum — никель, цинк; Т. rotundifotium — никель, свинец, цинк. В то же время растения Т. caerulescens, способные к повышенной аккумуляции в своих надземных органах кадмия и цинка, характеризовались более низкой по сравнению с обычными видами интенсивностью накопления меди.
Отдельные виды сем. Fabaceae (Astragalus bisulcatus, A. racemosus), сем. Asteraceae (Aster occidentalis, Machaeranthera ramose) и сем. Brassicaceae (Stanleya pinnata) известны как аккумуляторы селена, способные накапливать более 40 мг Se/г сухой массы. Плодовые растения сем. Lecythidaceae (Bertholletia excelsa, Lecylhts zabucaja, L. ollaria, L. elliptica) также относят к этой группе.
Выявлены большие видовые различия по содержанию селена в побегах растений. Типичные аккумуляторы селена — представители родов Astragalus, Kylorrhiza, Stanleyea. Содержание селена в побегах таких растений превышает 20-30 мг Se /кг сухой массы. Однако содержание селена в побегах у представителей видов и экотипов Astragalus может различаться в 100-200 раз. Очень высокий уровень аккумуляции селена в побеге (несколько сотен мкг/г массы) отмечен у видов сем. Cruciferae.
В целом определение понятия «растение-гипераккумулятор» затруднено, поскольку концентрация накапливаемых в побегах элементов сильно варьирует в зависимости от природы последних. Хотя стратегия гипераккумуляции менее распространена, чем стратегия исключения, феномен гипераккумуляции — привлекательная модель для изучения механизмов адаптации высших растений к избытку тяжелых металлов. Однако ни механизм, ни экологическая функция этого явления до сих пор не расшифрованы.
Растения-фильтры и грибы-аккумуляторы. Секреты фитоочистки
З агрязнение окружающей среды оказывает губительное влияние на растительные организмы. Однако многие представители флоры сумели приспособиться к новым условиям обитания. Более того, они научились очищать воздух, почву и воду от вредных химических элементов.
Вредные вещества, поллютанты – пестициды, гербициды, органические растворители, тяжелые металлы, радионуклиды – чаще всего попадают в растительные организмы через корневую систему или листья (через устьица или кутикулу эпидермиса). Соединения, поглощенные корнями, переносятся в надземные части растений или откладываются в запасающих органах.
Разрушающее воздействие
Все загрязняющие вещества могут необратимо влиять на растительные организмы, вызывая как морфологические, так и физиолого-биохимические изменения. Эти воздействия, как правило, носят неспецифичный характер. К примеру, тяжелые металлы и радионуклиды, попадая в растительные клетки, могут взаимодействовать с различными белками, что приводит к изменениям клеточного метаболизма – нарушаются процессы фотосинтеза, дыхания, меняются функции клеточных мембран и т. д.
На морфологическом уровне могут происходить изменения размеров, формы, окраски листьев и цветков, их увядания или опадения. Нередко усыхает крона деревьев, нарушается целостность коры, деформируется корневая система, срастаются некоторые органы. У хвойных деревьев отмечают изменения в размерах хвоинок. При сильных атмосферных загрязнениях у различных древесных и кустарниковых наблюдают нарушение интенсивности ветвления.
Атмосферные поллютанты также могут воздействовать на пыльцу растений, изменяя поверхность и форму пыльцевых зерен, нарушая целостность оболочек и вызывая их слипание.
В целом характер воздействия загрязняющих веществ зависит от их количества в окружающей среде, от их химического строения, а также от генетических и видовых особенностей самих растений, которые различаются по устойчивости к токсическому воздействию повышенных концентраций загрязняющих веществ.
Адаптация и фиторемедиация
Благодаря механизмам адаптации, действующим на разных организменных уровнях, в фитоценозах постепенно отбираются популяции, способные развиваться и расти без серьезных нарушений физиологических процессов при довольно высоких концентрациях загрязняющих веществ в среде.
Так, к примеру, постоянное накопление тяжелых металлов у одних видов сначала вызывает стимуляцию роста, а затем угнетение и гибель. У других же по мере увеличения содержания вредных веществ включается механизм, препятствующий их поглощению. Такое ограниченное поглощение наиболее характерно для опадающих частей (например, листьев) и репродуктивных органов (цветков) растений, неограниченное – для корней, древесины, стеблей.
Способность растительных организмов поглощать, аккумулировать и трансформировать поллютанты используют для фиторемедиации (от греческого phyton – «растение» и латинского remedium – «восстанавливать») – очистки окружающей среды (воды, почвы, атмосферы) при помощи растений.
Растения-фильтры
Травянистые растения применяют для фитостабилизации загрязнений – уменьшения их мобильности в почве за счет адсорбции или осаждения на корнях в виде нерастворимых соединений (фосфатов, карбонатов, гидроксидов и т. д.). При этом обычно выбирают виды, устойчивые к загрязнениям, способные образовывать плотный травянистый покров, связывать поллютанты в процессе интенсивного корневого обмена.
[stextbox bgcolor=»EDB161″ cbgcolor=»EDB161″ bgcolorto=»EDB161″ cbgcolorto=»EDB161″]К примеру, при создании газонов на кислых почвах с повышенным содержанием меди, цинка высаживают различные виды полевицы и овсяницы, на известковых почвах с повышенным содержанием свинца вводят некоторые бобовые.[/stextbox]
Бобовые растения совместно с микроорганизмами-симбионтами из прикорневой зоны также могут участвовать в биодеградации – разложении различных органических поллютантов.
Улучшить почвы с повышенным содержанием свинца помогают бобовые
Некоторые растения – осоковые, различные виды фасоли, пшеницы, риса – способны к фитотрансформации пестицидов, растворителей, топливных остатков, преобразуя (метаболизируя) их при помощи собственных внутриклеточных ферментных систем.
Крестоцветные используют для фитоэкстракции – извлечения загрязнений из почвы. Они являются аккумуляторами тяжелых металлов и радионуклидов, которые поступают в растения через корневую систему и откладываются в надземных органах (стеблях и листьях). Растительную биомассу затем можно собрать и переработать. Наиболее широко фитоэкстракцию используют для удаления из почвы свинца, цинка, кадмия, никеля.
Достаточно активно способны аккумулировать тяжелые металлы также и некоторые виды папоротников, которые являются типичными представителями лесных экосистем.
[stextbox bgcolor=»EDB161″ cbgcolor=»EDB161″ bgcolorto=»EDB161″ cbgcolorto=»EDB161″]К примеру, страусник обыкновенный способен поглощать из почвы и накапливать в листьях ионы кадмия, который при этом не оказывает существенного ингибирующего воздействия на зеленую (фотосинтезирующую) часть самого растения.[/stextbox]
Страусник обыкновенный способен поглощать из почвы ионы кадмия
Древесные биофильтры
Деревья и кустарники часто используют как эффективные и естественные биофильтры в городах и сельской местности:
- они обладают высокой продуктивностью;
- способны поглощать загрязняющие вещества из нескольких почвенных горизонтов, благодаря большой поверхности и объему корневой системы;
- могут адсорбировать пылевые и аэрозольные частицы на высоте до 30 м;
- достаточно быстро адаптируются к смене окружающей среды.
Так, к примеру, для создания фитозаградительных барьеров вдоль автомагистралей, улиц с активным движением транспорта для защиты воздушной и водной сред часто высаживают различные виды тополя, клена, каштана, липы. Осину, различные виды берез, сосну используют при проведении комплексных работ по фитомелиорации – очистке почвы от нефти и нефтепродуктов.
Береза способствует очистке почв от нефти и нефтепродуктов
При проведении мероприятий по очистке территорий, загрязненных радионуклидами, высаживают манчьжурский орех и амурский бархат, которые считаются гораздо более устойчивыми к радиационному воздействию, чем хвойные деревья и многие лиственные породы. Эти виды отличаются способностью к быстрому вегетативному восстановлению (корневой и пневой порослью) после облучения, а также обладают сильно развитой листовой и корневой поверхностью, что позволяет им удерживать пылевые частицы и капли воды с радионуклидами и локализовать их в ветках, коре, древесине, плодах.
Клен очищает воду и воздух возле автомагистралей
Большинство деревьев могут вступать в симбиотические взаимоотношения с грибами с формированием микоризы. Микориза улучшает почвенную структуру, связывает ионы тяжелых металлов, защищает растения от токсичных органических соединений, помогая им лучше адаптироваться и выживать в условиях повышенного загрязнения окружающей среды. Благоприятный эффект от такого «сотрудничества» наблюдали, к примеру, для ели обыкновенной, различных видов клена, растущих на урбанизированных территориях в «сожительстве» с грибным мицелием.
Корневые симбиозы. Микориза
Грибы внутри тканей корня
Селекция и инженерия
Для получения растений, устойчивых к неблагоприятным антропогенным воздействиям, активно применяют методы современной клеточной селекции, а также генетической клеточной инженерии.
[stextbox bgcolor=»EDB161″ cbgcolor=»EDB161″ bgcolorto=»EDB161″ cbgcolorto=»EDB161″]К примеру, специально выведенные гибридные тополя способны трансформировать и разрушать различные растворители, в том числе и хлорорганические. Они также обладают глубоко проникающей корневой системой, высокой скоростью роста, способны хорошо адаптироваться к различным климатическим условиям.[/stextbox]
Особое внимание также уделяют получению растений-гипераккумуляторов тяжелых металлов. За основу берут виды с высокой продуктивностью и вводят бактериальный геном, который отвечает за формирование у растений способности адсорбировать или трансформировать поллютанты в значительных количествах. Особо эффективно этот метод применяют для выведения устойчивых газонных трав.
Грибы-аккумуляторы
Достаточно интенсивно способны поглощать и накапливать тяжелые металлы грибы. Интересно, что отдельные виды обладают определенной избирательностью по отношению к этим элементам.
[stextbox bgcolor=»EDB161″ cbgcolor=»EDB161″ bgcolorto=»EDB161″ cbgcolorto=»EDB161″]К примеру, грибы-зонтики наиболее активно аккумулируют кадмий, свинушки, грузди, сыроежки, некоторые виды дождевиков – медь, шампиньоны и белые грибы – ртуть.[/stextbox]
Грибы также активно способны сорбировать из лесной подстилки радионуклиды, в частности радиоактивный цезий. Так, в первые годы после аварии на Чернобыльской АЭС грибы использовали как биоиндикаторы радиоактивного загрязнения.
Шампиньоны активно аккумулируют ртуть
Наиболее активно из субстрата грибами поглощаются легкорастворимые соединения тяжелых металлов и радиоизотопов. В молодых плодовых телах отмечают более высокие их концентрации, чем в старых. Наибольшие количества, как правило, аккумулируются в шляпках грибов, особенно в гименофорах. Со временем в условиях постоянного загрязнения эти элементы могут накапливаться в мицелии.
Интенсивность поглощения и накопления тяжелых металлов и радионуклидов грибами сильно зависит от условий окружающей среды, в первую очередь от плотности, состава и степени увлажнения субстрата. К примеру, было установлено, что на увлажненных лесных почвах грибы гораздо интенсивнее накапливают радиоизотопы, чем те же виды, растущие на почвах с глубоким залеганием грунтовых вод. Определяющими также являются различные видовые особенности, в частности глубина расположения мицелия, тип питания. Так, в грибах-симбионтах содержится больше тяжелых металлов, чем в древоразрушающих грибах-сапрофитах.
При употреблении в пищу съедобных грибов, собранных в лесах с высокой степенью техногенного загрязнения, высока вероятность тяжелых отравлений и внутреннего облучения. Даже кулинарная обработка (например, последовательная варка с неоднократной сменой воды) не всегда приводит к снижению концентрации вредных веществ до допустимых величин.
Для справки:
Фиторемедиация – очистка окружающей среды при помощи растений.
Фитостабилизация – уменьшение мобильности поллютантов в почве за счет адсорбции или осаждения на корнях в виде нерастворимых соединений.
Биодеградация – разложение различных органических поллютантов.
Фитоэкстракция – извлечение загрязнений из почвы.
Фитомелиорация – очистка почвы от нефти и нефтепродуктов.
Рекомендуем прочитать:
Строение дерева. От клеток до корней
Строение растений мы изучали еще в школе. В этой статьей мы решили напомнить, что из себя представляет дерево, и рассказать о каждой из его частей: клетках и тканях, древесине и коре, ветвях и ветках, листьях и корнях.
Свойства древесины разных пород
Еще пару веков назад ни сельское хозяйство, ни строительство, ни промышленность не обходились без древесины. Не потеряла она своего важного значения и сегодня
Читайте также: