Фитоэкстракция - это подпроцесс фиторемедиации, при котором растения удаляют опасные элементы или соединения из почвы или воды, чаще всего тяжелые металлы , металлы, которые имеют высокую плотность и могут быть токсичными для организмов даже при относительно низких концентрациях. [1] Тяжелые металлы, извлекаемые растениями, также токсичны для растений, а растения, используемые для фитоэкстракции, известны как гипераккумуляторы, которые улавливают чрезвычайно большое количество тяжелых металлов в своих тканях. Фитоэкстракция также может выполняться растениями, которые поглощают более низкие уровни загрязняющих веществ, но из-за их высокой скорости роста и производства биомассы могут удалять значительное количество загрязняющих веществ из почвы. [2]
Тяжелые металлы и биологическая система
Тяжелые металлы могут быть серьезной проблемой для любого биологического организма, поскольку они могут вступать в реакцию с рядом химических веществ, необходимых для биологических процессов.
Они также могут расщеплять другие молекулы на еще более активные виды (например, активные формы кислорода ), что также нарушает биологические процессы. Эти реакции истощают концентрацию важных молекул , а также производить опасно реактивные молекулы , такие как радикалы O . и ОН . .
Негипераккумуляторы также поглощают некоторые концентрации тяжелых металлов, поскольку многие тяжелые металлы химически подобны другим металлам, которые необходимы для жизни растений.
Процесс
Чтобы растение могло извлекать тяжелый металл из воды или почвы, должно произойти пять вещей. 1. Металл должен раствориться в чем-то, что могут поглотить корни растений. 2. Корни растений должны поглощать тяжелые металлы. 3. Растение должно хелатировать металл, чтобы защитить себя и сделать металл более подвижным (это также может произойти до того, как металл впитается).
- Хелатирование - это процесс, при котором металл окружается и химически связывается с органическим соединением. Этот процесс показан на рисунке, озаглавленном «Хелат металл-ЭДТА».
4. Завод перемещает хелатный металл в место для его безопасного хранения. 5. Наконец, растение должно адаптироваться к любым повреждениям, вызванным металлами во время транспортировки и хранения.
Растворение
В нормальном состоянии металлы не попадают ни в один организм. Они должны быть растворены в растворе в виде иона, чтобы быть подвижными в организме. [3] Когда металл становится подвижным, он может либо непосредственно перемещаться через клеточную стенку корня специальным транспортером металла, либо переноситься определенным агентом. Корни растений опосредуют этот процесс, выделяя вещества, которые захватывают металл в ризосфере, а затем переносят металл через клеточную стенку. Вот некоторые примеры: фитосидерофоры, органические кислоты или карбоксилаты [4]. Если металл хелатирован на этом этапе, то растению не нужно хелатировать его позже, и этот хелатер служит случаем, чтобы скрыть металл от остальной части растения. . Таким образом гипераккумулятор может защитить себя от токсического воздействия ядовитых металлов.
Поглощение корней
Первое, что происходит при абсорбции металла, - это его связывание с клеточной стенкой корня. [5] Затем металл перемещается в корень. Некоторые растения затем накапливают металл за счет хелатирования или секвестрации. Многие специфические лиганды переходных металлов, способствующие детоксикации и транспортировке металлов, активируются в растениях, когда металлы доступны в ризосфере. [6] На этом этапе металл может быть изолирован или уже изолирован с помощью хелатирующего агента или другого соединения. Чтобы добраться до ксилемы , металл должен пройти через корневую симплазму.
Транспортировка корней в побеги
Системы, которые транспортируют и хранят тяжелые металлы, являются наиболее важными системами в гипераккумуляторе, потому что тяжелые металлы повредят растения до того, как они будут отправлены на хранение. Транспорт тяжелых металлов от корня к побегам строго регулируется экспрессией генов. Идентифицированы гены, кодирующие системы транспорта металлов в растениях. Эти гены экспрессируются как в гипераккумулирующих, так и в негипераккумулирующих растениях. Существует множество доказательств того, что гены, которые, как известно, кодируют транспортные системы тяжелых металлов, постоянно сверхэкспрессируются в гипер-накапливающихся растениях, когда они подвергаются воздействию тяжелых металлов. [7] Это генетическое свидетельство предполагает, что гипераккумуляторы чрезмерно развивают свои системы транспорта металлов. Это может быть сделано для ускорения процесса от корней до побегов, ограничивая количество времени, в течение которого металл подвергается воздействию растительных систем перед его хранением. Рассмотрено накопление кадмия. [8]
Эти переносчики известны как АТФазы, транспортирующие тяжелые металлы (HMA). [9] Одним из наиболее хорошо задокументированных HMA является HMA4, который принадлежит к подклассу Zn / Co / Cd / Pb HMA и локализуется на плазматических мембранах паренхимы ксилемы. [10] HMA4 активируется, когда растения подвергаются воздействию высоких уровней Cd и Zn, но подавляется у его негипераккумулирующих родственников. [11] Кроме того, когда экспрессия HMA4 увеличивается, происходит коррелированное увеличение экспрессии генов, принадлежащих к семейству ZIP (регулируемые цинком транспортерные белки, регулируемые железом). Это говорит о том, что транспортная система от корня к побегам действует как движущая сила гипераккумуляции, создавая в корнях реакцию дефицита металла. [12]
Место хранения
Системы, которые транспортируют и хранят тяжелые металлы, являются наиболее важными системами в гипераккумуляторе, потому что тяжелые металлы повреждают растение еще до того, как они будут отправлены на хранение. Часто в гипераккумуляторах тяжелые металлы накапливаются в листьях.
Чем может быть полезна фитоэкстракция
Для растений
Есть несколько теорий, объясняющих, почему это полезно для растений.
- Гипотеза «элементарной защиты» предполагает, что, возможно, хищники будут избегать употребления гипераккумуляторов из-за тяжелых металлов. Однако в настоящее время ученые не смогли определить корреляцию. [13]
В 2002 году факультет фармакологии Медицинского университета Бангабандху Шейха Муджиба в Бангладеш провел исследование, в котором для удаления мышьяка из воды использовался водный гиацинт . [14] Это исследование доказало, что воду можно полностью очистить от мышьяка за несколько часов и что растение затем можно использовать в качестве корма для животных, дров и для многих других практических целей. Поскольку водный гиацинт инвазивен, его выращивание недорого и чрезвычайно практично.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ http://www.ilpi.com/msds/ref/heavymetal.html
- ^ Guidi Nissim W., Palm E., Mancuso S., Azzarello E. (2018) «Фитоэкстракция микроэлементов из загрязненной почвы: тематическое исследование в условиях средиземноморского климата». Науки об окружающей среде и исследованиях загрязнения https://doi.org/10.1007/s11356-018-1197-x
- ^ Мисра В., Тивари А., Шукла Б. и Сет С.С. (2009) Влияние поправок на почву на биодоступность тяжелых металлов из хвостов цинковых рудников. Оценка экологического мониторинга 155, 467–475.
- ^ Han F., Shan XQ, Zhang SZ, Wen B. & Owens G. (2006) Повышенное накопление кадмия в корнях кукурузы - влияние органических кислот. Растения и почва 289, 355–368.
- ↑ Клеменс С., Пальмгрен М.Г. и Кремер У. (2002) Долгий путь вперед: понимание и разработка накопления металлов на заводах. Тенденции в растениеводстве 7, 309–315.
- ^ Сет, CS, и др. «Фитоэкстракция токсичных металлов: центральная роль глутатиона». Растения, клетки и окружающая среда (2011) SCOPUS. Интернет. 16 октября 2011 г.
- ^ Rascio, Н. Ф. Navari-Izzo. «Гипераккумулирующие растения хэви-метала: как и почему они это делают? И что делает их такими интересными?» Наука о растениях 180.2 (2011): 169-81. СФЕРА. Интернет. 16 октября 2011 г.
- ^ Кюппер, Хендрик; Лейтенмайер, Барбара (2013). «Глава 12. Кадмий-аккумуляторы». В Астрид Сигель, Гельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель (ред.). Кадмий: от токсикологии к сущности . Ионы металлов в науках о жизни. 11 . Springer. С. 373–413. DOI : 10.1007 / 978-94-007-5179-8_12 .
- ^ KB Axelsen и MG Palmgren, Инвентаризация суперсемейства ионных насосов P-типа у Arabidopsis. Физиология растений, 126 (1998), стр. 696–706.
- ^ Rascio, Н. Ф. Navari-Izzo. «Гипераккумулирующие растения хэви-метала: как и почему они это делают? И что делает их такими интересными?» Наука о растениях 180.2 (2011): 169-81. СФЕРА. Интернет. 16 октября 2011 г.
- ^ А. Папоян и Л. В. Кочян, Идентификация генов Thlaspi caerulescens, которые могут быть вовлечены в гипер-накопление тяжелых металлов и толерантность. Характеристика новой АТФазы, переносящей тяжелые металлы. Физиология растений, 136 (2004), стр. 3814–3823.
- ^ М. Ханикенн и др. Эволюция гипераккумуляции металлов потребовала цис-регуляторных изменений и трехкратного увеличения HMA4. Природа, 453 (2008), стр. 391–395.
- ^ Rascio, Н. Ф. Navari-Izzo. «Гипераккумулирующие растения хэви-метала: как и почему они это делают? И что делает их такими интересными?» Наука о растениях 180.2 (2011): 169-81. СФЕРА. Интернет. 16 октября 2011 г.
- ^ Misbahuddin, М. и А. Fariduddin. «Водяной гиацинт удаляет мышьяк из питьевой воды, загрязненной мышьяком». Архив гигиены окружающей среды 57.6 (2002): 516-8. СФЕРА. Интернет. 26 сентября 2011 г.