Phytoremediation: Rengjøring av jord med blomster

David Trood / Getty Images

Ifølge International Phytotechnology Society nettsted, er fytoteknologi definert som vitenskapen om å bruke planter til å løse miljøproblemer som forurensning, skogplanting, biodrivstoff og deponi. Phytoremediation, en underkategori av fytoteknologi, bruker planter til å absorbere forurensninger fra jord eller vann.

De involverte forurensningene kan bl.a tungmetaller , definert som alle elementer som anses som et metall som kan forårsake forurensning eller et miljøproblem, og som ikke kan nedbrytes ytterligere. En høy akkumulering av tungmetaller i jord eller vann kan betraktes som giftig for planter eller dyr.

Hvorfor bruke phytoremediation?

Andre metoder som brukes for å sanere jord forurenset med tungmetaller kan koste 1 million dollar per dekar, mens fytoremediation ble estimert til å koste mellom 45 cent og $1,69 US per kvadratfot, noe som senker kostnaden per acre til titusenvis av dollar.

Hvordan fungerer phytoremediation?

Ikke alle plantearter kan brukes til fytoremediering. En plante som er i stand til å ta opp flere metaller enn vanlige planter kalles en hyperakkumulator. Hyperakkumulatorer kan absorbere flere tungmetaller enn det som finnes i jorda de vokser i.

Alle planter trenger noen tungmetaller i små mengder; jern, kobber og mangan er bare noen få av tungmetallene som er avgjørende for plantens funksjon. Det er også planter som kan tolerere en høy mengde metaller i systemet deres, enda mer enn de trenger for normal vekst, i stedet for å vise toksisitetssymptomer. For eksempel en art av Thlaspi har et protein som kalles et 'metalltoleranseprotein'. Sink er tungt tatt opp av Thlaspi på grunn av aktiveringen av en systemisk sinkmangelrespons. Med andre ord, metalltoleranseproteinet forteller planten at den trenger mer sink fordi den 'trenger mer', selv om den ikke gjør det, så den tar mer opp!

Spesialiserte metalltransportører inne i et anlegg kan også hjelpe til med opptak av tungmetaller. Transportørene, som er spesifikke for tungmetallet det binder seg til, er proteiner som hjelper til med transport, avgiftning og sekvestrering av tungmetaller i planter.

Mikrober i rhizosfæren klamrer seg til overflaten av planterøtter, og noen saneringsmikrober er i stand til å bryte ned organiske materialer som f.eks. petroleum og ta tungmetaller opp og ut av jorda. Dette kommer mikrobene så vel som planten til gode, da prosessen kan gi en mal og en matkilde for mikrober som kan bryte ned organiske miljøgifter. Plantene frigjør deretter rotekssudater, enzymer og organisk karbon som mikrobene kan spise på.

Historien om phytoremediation

'Gudfaren' til fytoremediering og studiet av hyperakkumulatorplanter kan meget vel være R.R. Brooks av New Zealand. En av de første papirene som involverte et uvanlig høyt nivå av tungmetallopptak i planter i et forurenset økosystem ble skrevet av Reeves og Brooks i 1983. De fant at konsentrasjonen av bly i Thlaspi lokalisert i et gruveområde var lett det høyeste som noen gang er registrert for noen blomstrende plante.

Professor Brooks arbeid med tungmetallhyperakkumulering av planter førte til spørsmål om hvordan denne kunnskapen kunne brukes til å rense forurenset jord. Den første artikkelen om phytoremediation ble skrevet av forskere ved Rutgers University om bruken av spesielt utvalgte og konstruerte metallakkumulerende planter som brukes til å rense forurenset jord. I 1993, a USAs patent ble arkivert av et selskap kalt Phytotech. Med tittelen 'Phytoremediation of Metals', avslørte patentet en metode for å fjerne metallioner fra jord ved hjelp av planter. Flere plantearter, inkludert reddik og sennep, ble genetisk konstruert for å uttrykke et protein kalt metallothionein. Planteproteinet binder tungmetaller og fjerner dem slik at plantetoksisitet ikke oppstår. På grunn av denne teknologien, genmanipulerte planter, inkludert Arabidopsis , tobakk, raps og ris har blitt modifisert for å sanere områder som er forurenset med kvikksølv.

Eksterne faktorer som påvirker fytoremediering

Hovedfaktoren som påvirker en plantes evne til å hyperakkumulere tungmetaller er alder. Unge røtter vokser raskere og tar opp næringsstoffer i høyere hastighet enn eldre røtter, og alder kan også påvirke hvordan den kjemiske forurensningen beveger seg gjennom planten. Naturligvis påvirker de mikrobielle populasjonene i rotområdet opptaket av metaller. Transpirasjonshastigheter, på grunn av sol/skyggeeksponering og sesongmessige endringer, kan også påvirke plantens opptak av tungmetaller.

Plantearter som brukes til fytoremediering

Over 500 plantearter rapporteres å ha hyperakkumuleringsegenskaper. Naturlige hyperakkumulatorer inkluderer mellomliggende iberis og Thlaspi spp. Ulike planter akkumulerer forskjellige metaller; for eksempel, Brassica juncea akkumulerer kobber, selen og nikkel, mens Arabidopsis stater akkumulerer kadmium og Lemna er på topp akkumulerer arsen. Planter brukt i konstruerte våtmarker inkluderer skjær, siv, siv og starr fordi de er flomtolerante og er i stand til å ta opp forurensninger. Genmanipulerte planter, inkludert Arabidopsis , tobakk, raps og ris, har blitt modifisert for å sanere områder forurenset med kvikksølv.

Hvordan testes planter for deres hyperakkumulerende evner? Plantevevskulturer brukes ofte i fytoremedieringsforskning, på grunn av deres evne til å forutsi planterespons og spare tid og penger.

Salgbarhet av phytoremediation

Phytoremediation er populært i teorien på grunn av dens lave etableringskostnad og relative enkelhet. På 1990-tallet var det flere selskaper som jobbet med fytoremediation, inkludert Phytotech, PhytoWorks og Earthcare. Andre store selskaper som Chevron og DuPont utviklet også fytoremedieringteknologier. Det har imidlertid blitt utført lite arbeid den siste tiden av selskapene, og flere av de mindre selskapene har gått ut av drift. Problemer med teknologien er blant annet at planterøtter ikke kan nå langt nok inn i jordkjernen til å samle noen forurensninger, og deponering av plantene etter at hyperakkumulering har funnet sted. Plantene kan ikke pløyes tilbake i jorda, konsumeres av mennesker eller dyr, eller legges på søppelfylling. Dr. Brooks ledet banebrytende arbeid med utvinning av metaller fra hyperakkumulatoranlegg. Denne prosessen kalles fytominering og innebærer smelting av metaller fra plantene.