ТЕМА 8. Технології фітомеліорації і біологічної консервації еродованих орних земельних угідь ґрунтів різного генезису.

1. Сутність рослинної гіперакумуляції.

Фіторемедіація складається з двох принципово різних стратегій: фітоекстракції – вирощуванні рослин-гіперакумуляторів, здатних вилучати ВМ у значних кількостях, та, навпаки, фітостабалізації – толерантних рослин до рівня забруднення ґрунту до 1,5 ГДК.

Ефективність рослин, що використовуються у фітоекстракції, як вказувалося, визначається так званим коефіцієнтом фітоекстракції (біологічного накопичення), який є відношенням концентрації металу в рослині до концентрації металів у ґрунті. За цим коефіцієнтом, що показує здатність накопичувати метали в біомасі, відбираються рослини-гіперакумулятори. До рослин-гіперакумуляторів ВМ в даний час віднесені: гірчиця сарептська (Brássica júncea), люцерна (Medicago sativa), соняшник (Helianthus annus), сорго (Sorghum), ряд трав’янистих рослин та деякі зернові культури.

Рослини, що становлять металофітні флори, можна розділити на дві групи:

1.                  Металофіти – види, які мешкають тільки на збагачених важкими металами ґрунтах у межах певного району. Деякі металофіти можуть без ознак інтоксикації акумулювати значно більше важких металів, ніж звичайні рослини. Механізми, що використовуються при гіперакумуляції, є предметом дискусій, проте існують уявлення про те, що гіперакумуляції сприяють тіолвмісні поліпептиди, функціонально подібні до металотіонеїнів. Своєрідною особливістю металофітів є специфічність до металу, впливу якого піддається населення. Іноді у популяцій відзначається стійкість одночасно до двох і більше металів (супутня, або множинна металостійкість), яка, однак, нижча за основну металостійкість.

2.                 Псевдометалофіти – звичайні види місцевої флори, які мешкають на ґрунтах з дуже великим вмістом важких металів або завдяки вищій металостійкості виду в цілому, або за рахунок утворення металостійких популяцій. У свою чергу, псевдометалофіти поділяють на:

а) вибіркові – зустрічаються і навіть більш життєві на збагачених металами ґрунтах, порівняно із звичайними;

б) індиферентні – зустрічаються регулярно на багатих металами ґрунтах, але їх велика кількість, життєвість нижче, ніж у тих же видів на звичайних ґрунтах;

в) випадкові металофіти – рудеральні види, що спорадично з’являються і пригнічені на збагачених ґрунтах. Їхня адаптація до важких металів може відбуватися за рахунок формування стійких популяцій.

При цьому, рослини, що належать до різних родин, помітно розрізняються за здатністю накопичувати важкі метали. Залежно від виду рослин вміст у них важких металів може змінюватися у багато разів (до 100 і більше).

Ефективність процесу сорбції іонів важких металів залежить від виду рослин, які здатні накопичувати високі концентрації металу в їхній надземній частині без будь-яких видимих ознак пригнічення ростових показників. Ці рослини називають гіперакумуляторами, а явище – гіперакумуляцією. Близько 500 видів рослин є гіперакумуляторами. Серед них приблизно 0,2 % належать до покритонасінних. Ідеальні для фіторемедіації рослини повинні мати здатність накопичувати високі концентрації металу, витримувати високі концентрації солі, володіти високою швидкістю росту, швидко накопичувати біомасу, ефективно накопичувати метал у них.

Гіперакумуляція (наднакопичення) є однією зі стратегій стійкості рослин до металів, пов’язану зі здатністю концентрувати їх у тканинах надземних органів. Термін «гіперакумулятор» (надкопичувач) відноситься до рослин, здатних накопичувати важкі метали в пагонах до концентрацій, що в 100-1000 разів перевищують такі у звичайних рослин. Наднакопичення показано As, Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Se, Zn. Приклади вмісту важких металів у деяких рослинах- гіперакумуляторах, що ростуть на забруднених ґрунтах, показані в табл. 1.

Число рослин-надкопичувачів обмежене, тому пошук видів рослин, що накопичують надлишок важких металів, привертає увагу багатьох дослідників. До теперішнього часу виявлено понад 400 видів рослин-гіперакумуляторів, що належать до 45 родин.

Причому серед них близько 300 (майже 75 %) видів рослин є накопичувачами нікелю і тільки 20-30 видів акумулюють Co, Cu, Zn. Список рослин-гіперакумуляторів цинку включає близько 20 видів, представлених переважно рослинами родини Brassicaceae (Хрестоцвіті) (11 видів роду Thlaspi і 1 вид роду Arabidopsis), а також відносяться до інших сімейств і родів (Silene, Armería, Viola). Наднакопичення Cd і Pb – ще рідкісне явище серед вищих рослин. Наприклад, про здатність до накопичення кадмію вказувалося лише щодо рослин- гіперакумуляторів  цинку  –  Thlaspi  caerulescens  і  Arabidopsis  halleri  та

гіперакумулятора нікелю – Thlaspi goesingense. Серед рослин-надкопичувачів виявлено представників сімейства Brassicaceae, які накопичують свинець (Thlapsi). Причому деякі рослини, зокрема Brassica junicea, здатні акумулювати не один, а кілька важких металів – Cd, Cu, Ni, Pb, Se, Zn, що має важливе значення, оскільки забруднення ґрунтів рідко обмежується одним металом.

Таблиця 1 Вплив важких металів на деякі показники, що впливають на водний баланс

рослин

Відкриття рослин-гіперакумуляторів, здатних поглинати ВМ в 50-500 разів більшій кількості в порівнянні зі звичайними рослинами, призвело до революційного розвитку технологій фітоекстракції.

Через чверть століття після першого огляду, відомі види рослин- гіперакумуляторів, що входять переважно до родин складноцвітих (Asteraceae), хрестоцвітих (Brassicaceae), гвоздичних (Caryophylla) осокових (Cyperaceae), кунонієвих (Cunoniaceae), бобових (Fabaceae), флакуртієвих (Flacourtiaceae), губоцвітих (Lamiaceae), злакових (Poaceae), фіалкових (Violaceae) і молочайних (E4) Гіперакумуляторами вважаються вищі рослини, здатні на збагачених ТМ і металоїдами ґрунтах накопичувати >1 мг Au, Ag, >100 мг Cd, Se, Ta, >1000 мг Cu, Co, Cr, Ni, Pb, U, As і >10000 мг Mn, Zn на кілограм сухої маси пагонів. Коефіцієнт біологічного поглинання перевищує одиницю. Відомі чотири види-гіперак- кумулятора As, один Cd, 30 Co, 34 Cu, 14 Pb, >320 Ni, 20 Se, 11 Zn та 10 Mn.

Здатність до гіпераккумуляції металів найбільшою мірою властива представникам родини хрестоцвітих, включаючи 11 родів і 87 видів, зокрема, Ni – 7 родів і 72 види, Zn – 3 роди і 20 видів.

Кращим гіперакумулятором Ni є невелике дерево Sebertia acuminata з Нової Каледонії, чий висушений блакитно-зелений латекс містить ≈25% металу. Різні види ярутки (Thlaspi) здатні до акумуляції декількох металів, наприклад, T. caerulescence – Cd, Ni, Pb та Zn, T. goesingense та T. ochroleucum – Ni та Zn, T. rotundifolium – Ni, Pb та Zn.

Ймовірно, гіперакумуляція металів є еволюційним пристосуванням рослин до життя в малосприятливих місцепроживання з високим вмістом ВМ у ґрунтах на ультраосновних породах. Загадкою залишаються переваги, які здатність до гіперакумуляції металів дає рослинам. До цих переваг, ймовірно, відносяться толерантність до ВМ, посухостійкість, здатність до конкуренції з толерантними рослинами, ненавмисне поглинання ВМ, захист від травоїдних тварин або патогенів. Незважаючи на очевидну привабливість захисної теорії, деякі дослідники вважають, що в багатьох випадках акумуляція ВМ не оберігає рослини від використання травоїдними.

Здатність рослин-гіперакумуляторів поглинати і накопичувати ВМ представляють великий інтерес, проте механізми цього явища досі малозрозумілі і його фізіологічна роль до кінця не ясна.

В останні роки розуміння фізіологічних процесів гіперакумуляції металів збільшилося в результаті розвитку можливостей досліджень на молекулярному рівні.

Молекулярні механізми, що пояснюють гіперстійкість, активно вивчаються. Наразі запропоновано кілька гіпотез про механізми гіперакумуляції важких металів. Відповідно до однієї з них, гіперакумулятори мають найбільш ефективну систему поглинання іонів металів. Згідно з іншою гіпотезою гіперакумуляція пов’язана з підвищеною здатністю деяких рослин транспортувати поглинений метал у компартменти з низькою фізіологічною активністю або до

органів, з яких можна його видалити згодом, наприклад, у старе листя. Третя гіпотеза полягає в тому, що акумуляція металу, зокрема нікелю, у тканинах підвищує стійкість рослин до дефіциту вологи внаслідок зниження кутикулярної транспірації. Згідно з «гіпотезою алелепатії», листя рослин-гіперакумуляторів з високим вмістом важких металів, що опадає, збагачують ними ґрунт і інгібують зростання сусідніх рослин, не стійких до даного металу, таким чином звільняючи простір для перших. Відповідно до ще однієї досить поширеної гіпотезою, що сформувалася в ході еволюції гіперакумуляція Ni і Zn в покривних і провідних тканинах є захист рослин від травоїдних тварин і патогенів.

Гіперакумуляція (наднакопичення) є однією зі стратегій стійкості рослин до металів, пов’язану зі здатністю концентрувати їх у тканинах надземних органів. Термін «гіперакумулятор» (надкопичувач) відноситься до рослин, що накопичують метали в пагонах до концентрацій, які на 1-3 порядку перевищують концентрації металів у тканинах поряд зростаючих «нормальних» рослин . Наднакопичення показано для Pb, Ni, C, Cu, Zn, Cd, Se, As.

Більшість гіперакумуляторів характеризується високою природною (еволюційно набутою) стійкістю до металу, який вони накопичують. Генетично ця гіперстійкість контролюється невеликою кількістю генів. Однак у Arabidopsis halleri та Thlaspi caerulescens гіперакумуляція та стійкість не корелюють або між ними навіть спостерігається зворотна залежність. Понад те, показано, що з Arabidopsis halleri здатність рослин до акумуляції кадмію та його стійкість перебувають під незалежним генетичним контролем.

Кутикула поверхневого епідермісу містить значно більше металу, порівняно з іншими тканинами листа. Такий розподіл різко контрастує з деякими іншими гіперакумуляторами, в яких Ni концентрується у вакуолях епідермальних клітин.

Багато рослин-гіперакумулятори зазвичай мають невелику біомасу, що обумовлює тривалий процес очищення. Тому в якості ефективних фітоекстракторів були запропоновані дерева, що володіють глибокою кореневою системою, інтенсивною транспірацією, швидким зростанням і високою продуктивністю. Найбільш поширене використання Salix spp. та Populus spp. для екстракції Cd та Zn з помірно забруднених ґрунтів. На забруднених постіндустріальних землях доМетано розведення швидкорослих деревних видів з метою фітоекстракції та виробництва відновлюваних джерел енергії.

Поряд із звичайними механізмами (збільшення питомої поверхні коренів, транспорт елементів живлення) гіперакумуляторам властиві оригінальні шляхи впливу на ризосферу, включаючи унікальні фізичні характеристики кореня або особливості переносників, що сприяють поглинанню рідкісних елементів. Як і звичайні рослини, гіперакумулятори регулюють розчинність рідкісних елементів за допомогою кореневих ексудатів, поглинають рухомі елементи в ризосфері, змінюють рН. Крім того, гіперакумулятори надають мобілізуючу дію на нерухомі сполуки ВМ, а мікроорганізми ризосфери толерантні до металів.

Таблиця 2 Рослини, здатні до гіперакумуляції важких металів

Посилення фітоекстракції за допомогою мікоризи досягається завдяки поліпшенню росту і продуктивності рослин, збільшення толерантності рослин до металів і їх вмісту в рослинних тканинах. Три специфічні механізми посилення гіперакумуляції металів рослинами за допомогою мікроорганізмів включають: зростання площі поверхні коренів і кореневих волосків, збільшення розчинності металів і прискорення їх переносу з ризосфери в рослини.

За узагальненням накопичення великої кількості важких металів у тканинах гіперакумуляторів потребує високоефективних механізмів їхньої детоксикації. Важливу роль процесах детоксикації грають різні хелатори, основними у тому числі є органічні кислоти, амінокислоти, фітохелатини і металлотионеины. Зокрема, у гіперакумуляторів зазвичай відзначають високий вміст малату та/або цитрату. Наприклад, у всіх гіперакумуляторів сімейства Brassicaceae малат присутній у досить високих концентраціях, достатніх для хелатування більшої частини цинку, що надходить у листя. У той самий час близько 40 % цинку листі зв’язується цитратом. У клітинах органічні кислоти в основному локалізовані у вакуолі і там знаходяться їх комплекси з цинком. Висловлено припущення, що комплекси цитрату і малату з металами можуть також транспортуватися по ксилемі, хоча показано, що Cd, Ni, Zn у ксилемі є і у вигляді вільних іонів.

Пошук оптимальних поєднань рослин і мікроорганізмів – основне завдання перспективного методу мікробного посилення фітоекстракції, що швидко розвивається, шляхом введення групи природних штамів мікроорганізмів або генноіженерних варіантів (bio-augmentation-assisted phytoextraction).

Одним із найбільш вивчених гіперакумуляторів важких металів є Thlaspi caerulescens, який накопичує Cd, Ni та Zn. За фізіологічними, морфологічними та генетичними характеристиками цей вид вважається зручним модельним об’єктом для дослідження процесу гіперакумуляції. Рослини даного виду характеризуються підвищеною здатністю поглинати метали з ґрунту, транспортувати їх з кореня в пагін і накопичувати в листі.

Таблиця 3 Вміст важких металів (мг/кг) у надземній біомасі (кг/га) рослин-гіперакумуляторів (згруповано)

* Значення у дужках – середній вміст металів у звичайних рослинах.

ри пошуку рослин гіперакумуляторів з прив’язкою до конкретної природно-кліматичної зоні звертають увагу на місцеві домінуючі на забруднених ділянках види, що відрізняються швидким зростанням і відносно великою біомасою.

Рослина, яку збираються використовувати, як фітоекстрактор ВМ, повинна відповідати наступним вимогам:

Ø витримувати рівень забруднення ВМ без явно виражених проявів фітотоксичних ефектів (знебарвлення, пігментація, некрози, затримка росту й розвитку);

Ø відзначатися високою швидкістю росту, формувати значну надземну біомасу, мати глибоко розрощу кореневу систему, не вимагати особливої агротехніки, бути стійкою до хвороб і шкідників, не привабливою для тварин і людини, для запобігання отруєння.

Для оцінки здатності рослин до акумуляції ВМ розраховують коефіцієнти накопичення та біологічного поглинання елементів і проводять пошук прямих кореляційних зв’язків між вмістом металів у біомасі та ґрунті. Відмінності в поглинанні одним і тим же видом рослини різних металів вимагають створення спеціальних асоціацій рослин-гіперакумуляторів при поліелементному забрудненні ґрунту ВМ. Ефектори фітоекстракції збільшують належний рівень рухомості ВМ в ґрунті, а, отже, їх транслокацію з кореневої системи в надземну частину рослини.

В якості ефекторів фітоекстракціі використовують в основному хелатоутворюючі агенти, що розрізняються за принципом дії. Ефектори фітоекстракції здебільшого представлені комплексонами з числа поліамінополіоцтових кислот, таких як ЕДТА, ДДДА, ДТПА, етиленбіс(оксіетилентріамін)тетраоцтова (ЕТТА), етилендіаміндігідроксіфенілоцтова (ЕДФА), циклогексан – транс – 1,2 – діамінтетраоцтова (ЦДТА) та ін.

Ці речовини здатні створювати стійкі водорозчинні внутрікомплексні сполуки (хелати) з багатьма металами, підвищувати розчинність, рухомість металів в ґрунті, і як внаслідок, їх поглинання кореневою системою та накопичення в надземній біомасі. В хелаті метал знаходиться в напіворганічній формі, для якої характерна висока біологічна активність в тканинах рослинного організму. В природі, знаходячись в ґрунті, рослини використовують природні хелати, такі як гумінові та фульвокислоти. Також хелати утворюються при взаємодії ризосфери з солями ґрунту.

Відомо декілька хелаторів для різних елементів, які часто використовуються в сільському господарстві: для кальцію – ОЕДФ, для заліза – ДТПА, для мікроелементів – ЕДТА. ЕДТА (C10H16N2O8) утворює стійкі комплекси в широкому діапазоні рН, навіть у сильнокислому середовищі. Для кожного елементу існує коридор рН, який забезпечує існування стійкого комплексу. Так, комплекс заліза з ЕДТА ефективний при боротьбі з хлорозом тільки на помірно кислих ґрунтах. В лужному середовищі він нестабільний. ЕДТА піддається  кислотному  та  ензиматичному  гідролізу.  Розкладання  ЕДТА  в природному середовищі призводить до утворення більш токсичних продуктів, ніж вихідна речовина. Нерозчинні комплекси ЕДТА менш стійкі, ніж розчинні. ЕДТА притаманні антивірусні властивості. ЕДТА, як і ДТПА, ДБТА, ЕДДЯ, відноситься до комплексонів, які містять карбоксильні групи. Стимулятори росту рослин сприяють не тільки значному приросту біомаси, але і більш швидкому проходженню окремих етапів органогенезу, що дозволяє вирощувати рослини або отримувати біомасу кілька разів на рік, отже істотно скоротить терміни очищення ґрунту. Коренеутворення значно полегшується застосуванням регуляторів росту рослин групи ауксинів, які забезпечують формування коренів з клітин стебла та посилюють розвиток кореневої системи у вегетативних рослинах.

Таблиця 4 Особливості рослин, що використовуються для фітоекстракції та фітостабілізації

* Відношення вмісту металу в рослинах до його вмісту у ґрунтах.

** Відношення вмісту металу в пагонах до його вмісту корінням.

*** Для фітоекстракції наведено характерний для гіперакумуляторів вміст металів; для фітостабілізації значення засновані на токсичних межах для домашніх тварин у США, встановлених на базі максимальних рівнів толерантності для великої рогатої худоби.

Спочатку для стимуляції коренеутворення використовували керуючий цим процесом в рослинах фітогормон – гетероауксин (індоліл-3- оцтова кислота). Діюча речовина препарату “Корневін” 4-(індол-3-іл)масляна кислота, в рослинах поступово перетворюється в фітогормони гетероауксин, забезпечуючи найкращий ефект в самих низьких в порівнянні з іншими ауксинами дозах. Крім того, зручна препаративна форма “Корневін” (пудра) дозволяє за рахунок високої адгезії (прилипання) до поверхні насіння активізувати проникнення діючої речовини в клітини, що значно підвищує ефективність та спрощує технологію застосування препарату. В результаті застосування препарату масове утворення коренів відбувається на 4-8 днів раніше.

Фітоекстракція in situ полягає у вирощуванні рослин-гіперакумуляторів з дотриманням всіх правил агротехніки, що включає основний обробіток ґрунту, протруювання і обробку стимулятором росту насіння, посів, підживлення добривами, боротьбу з бур’янами, хворобами і шкідниками, при необхідності зрошення, застосування ефектора фітоекстракції та збирання біомаси. В обов'язковому порядку проводять контроль динаміки вмісту ВМ у ґрунті та рослинах, а при необхідності оцінку екологічних наслідків застосування ефекторів фітоекстракції, наприклад, за рахунок аналізу ферментативної активності і спостереження за міграцією комплексу хелатоутворюючого агента з ВМ по ґрунтовому профілю.

Після збирання забруднену ВМ біомасу використовують для рекуперації з неї кольорових металів шляхом попереднього озолення, а потім виплавки з неї ВМ або їх екстракції мінеральними кислотами. Токсична дія ВМ на рослини проявлялася, у першу чергу, в ушкодженні клітинних мембран, зміні активності ферментів, інгібуванні росту коренів, що сприяло виникненню цілого ряду вторинних ефектів, таких як гормональний дисбаланс, порушення фотосинтезу, транспірації, біосинтезу білка, мінерального живлення, пересування фотоасиміляторів, це все призводило до гальмування росту і розвитку рослин.

Початково фіторемедіація як метод знешкодження ґрунтів була розроблена для усунення забруднень важкими металами. Було встановлено, що деякі види рослин здатні не тільки витримувати наявність, але й поглинати та накопичувати більше іонів свинцю, ртуті, цинку та інших токсичних металів, ніж інші рослини. Це відкриття дозволило зробити висновок: для очищення ґрунтів необхідно лише засіяти ґрунти певними рослинами, в кінці сезону зібрати

«врожай» важких металів і вивезти його на спеціально призначене місце для вилучення металів або їх знешкодження. В основі розглянутої технології лежить природний процес біологічного кругообігу, складовими частинами якого є культивування рослин-акумуляторів, покращення властивостей ґрунтів та їх захист від ерозії. Фіторемедіація має ряд переваг перед фізичними методами ремедіації: може використовуватися на великих площах, значно дешевша, не вимагає спеціального обладнання, сприяє збереженню та покращенню навколишнього середовища, тому що пов’язана із вирощуванням рослин та покращенням стану ґрунтів.

Встановлено, що рослини, що характеризуються гіперакумулятивними здібностями щодо токсичних металів, мають специфічні механізми, що дозволяють їм усередині клітини у великих кількостях накопичувати ці метали. Такими механізмами є хелатування металів з ендогенними сполуками та компартманталізація токсичних металів та їх комплексів.