Fitoremediacja jako alternatywna metoda oczyszczania środowiska

Szczegóły
Kategoria: Ekologia i środowisko

Dokonujący się na przestrzeni ostatniego stulecia rozwój przemysłu oraz wzrost liczby ludności na świecie spowodowały niekorzystne zmiany w środowisku przyrodniczym. Skażone stanowiska glebowe, wodne i powietrze mogą stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia człowieka, jak również zachwiać równowagę pomiędzy populacjami organizmów żywych zajmujących dane siedlisko. Dlatego bardzo ważne jest poszukiwanie nowych rozwiązań remediacji zagrożonych przestrzeni, spośród których coraz większego znaczenia nabierają  metody biologiczne. Badania naukowe wykazały, że pewne gatunki roślin (lub ich odmiany) dzięki swoim specyficznym cechom posiadają zdolność pobierania i degradacji ksenobiotyków zanieczyszczających środowisko. Poprzez aktywny wpływ na zachodzące w naturze procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne zmieniają je tak, aby umożliwić przebieg własnego cyklu życiowego. Co więcej rośliny te wyposażone w mechanizmy obronne pobierając, metabolizując i/lub koncentrując we własnych tkankach substancje toksyczne oczyszczają środowisko.

 

Obiecującą i intensywnie rozwijającą się techniką oczyszczania środowiska jest fitoremediacja. Pierwsze udane próby jej wykorzystania do rolniczego zagospodarowania ścieków komunalnych miały miejsce w Niemczech już na początku XIX wieku. Od dawna doceniana jest także rola roślin w oczyszczaniu powietrza wielkich aglomeracji miejskich, chociaż największe zainteresowanie tą metodą i pierwsze wdrożenia zostały podjęte dopiero na początku lat osiemdziesiątych. Szczegółowe badania naukowe, pozwoliły wówczas na opracowanie podstaw biotechnologii środowiskowej, wykorzystującej rośliny do usuwania z gleby metali ciężkich i ksenobiotyków organicznych powstałych w wyniku rozwoju przemysłu.

Fitoremediację definiujemy jako proces usuwania lub detoksykacji zanieczyszczeń ze  środowiska za pomocą roślin wyższych. Technologia ta opiera się na zdolnościach pewnych gatunków i odmian do tolerancji na wysokie stężenia związków toksycznych, pobierania, akumulacji i metabolizmu tych związków w dużych ilościach we własnych organach  bądź do ich przekształcenia w związki nietoksyczne.

Ze względu na sposób w jaki rośliny wpływają na oczyszczanie skażonych ekosystemów wyróżnia się następujące typy działań:

 

  • fitoekstrakcję, polegającą na wykorzystaniu roślin do usuwania nagromadzonych w glebie zanieczyszczeń metalicznych bądź organicznych i ich kumulacji w częściach możliwych do zebrania,
  • fitodegradację, posługującą się roślinami i związanymi z nimi mikroorganizmami do rozkładu substancji organicznych,
  • fitostabilizację, wykorzystującą rośliny do obniżenia bioprzyswajalności istniejących w środowisku zanieczyszczeń,
  • rizofiltrację, wykorzystującą korzenie roślin do sorpcji zanieczyszczeń, głównie metali, z wody i ścieków,
  • fitowolatalizację, wykorzystanie roślin do usuwania niektórych substancji z gleby na drodze ich przemiany w związki lotne wydzielane później do atmosfery,

 

 

Fitoekstrakcja

 

Fitoekstrakcja jest techniką najczęściej stosowaną w oczyszczaniu gleb i osadów skażonych substancjami nieorganicznymi, przede wszystkim metalami ciężkimi i materiałami radioaktywnymi. W metodzie tej wykorzystuje się rośliny zdolne do pobierania dużej ilości ksenobiotyków z podłoża, które są następnie transportowane do poszczególnych tkanek, gdzie ulegają koncentracji i akumulacji. Po zakończeniu okresu wegetacyjnego rośliny te zbiera się z oczyszczonej powierzchni za pomocą typowych maszyn rolniczych, a następnie poddaje się procesom termicznym, fizycznym, chemicznym lub mikrobiologicznym w celu skoncentrowania ksenobiotyku. Przykładem wykorzystania tej metody może być gatunek tasznika (Thlaspi caerulenscens) gromadzący aż 51 600 mg cynku w 1 kg suchej masy nadziemnych części rośliny.

W literaturze wyróżnia się dwa kierunki działań fitoekstrakcyjnych: fitoekstrakcję wspomaganą i ciągłą. Idea fitoekstrakcji wspomaganej polega na dodaniu syntetycznych substancji chelatujących do gleby, które zwiększają ilość pobieranych przez rośliny metali ciężkich, głównie ołowiu. W oparciu o przeprowadzone badania naukowe ocenia się, że w ciągu roku można w ten sposób usunąć od 180 do 530 kg ołowiu z obszaru 1 ha. Z kolei w procesie fitoekstrakcji ciągłej zastosowanie znajdują rośliny hiperakumulatorowe, chociaż coraz częściej mówi się też o wykorzystaniu roślin nie posiadających tej zdolności. Doświadczenia praktyczne wykazały, że wykorzystując tę metodę możliwe jest oczyszczenie średnio zanieczyszczonego terenu w ciągu kilku lat (np. w przypadku skażenia cynkiem na poziomie 440 mg/kg gleby proces ten trwa do dziesięciu lat).

W ostatnich latach fitoekstrakcja jest jednym z najbardziej intensywnie rozwijających się działów biotechnologii środowiskowej i jedyną metodą in situ usuwającą metale ciężkie z gleby. W trakcie poszukiwań i selekcji odpowiednich genotypów uprawnych najwięcej kandydatów znaleziono wśród roślin z rodziny kapustnych (Brassicaceae), traw (Poaceae) oraz motylkowych (Papilionaceae). Na szczególną uwagę zasługuje tutaj gorczyca sarepska (Brassica juncea L.), którą jako pierwszą zastosowano w skali produkcyjnej do oczyszczania skażonego rtęcią stanowiska po byłej fabryce lamp. Wadą tej rośliny, jak również niewiele jej ustępującej gorczycy białej (Sinapis alba L.) jest konieczność zbioru w stanie świeżym, co stwarza poważne problemy z utylizacją uzyskanej biomasy. Pozostawione na polu resztki stanowią bowiem źródło wtórnej emisji substancji toksycznych.

W rodzinie traw najbardziej przydatna w procesie fitoekstrakcji jest powszechnie uprawiana kukurydza. Inne gatunki i odmiany z tej rodziny pochodzą z rodzajów: Festuca, Agrostis oraz Lolium. Jednak w porównaniu z kukurydzą akumulują znacznie mniejszą biomasę i chociaż koszt ich uprawy jest dużo niższy, to wymagają dalszego doskonalenia w drodze selekcji i hodowli, aby mogły być odpowiednio wykorzystane. Godnym zainteresowania wariantem fitoekstrakcji jest wykorzystanie perzu zwyczajnego (Agropyron regens L.), który w częściach podziemnych gromadzi największe ilości substancji toksycznych zawartych w glebie. Masa rozłogów tej rośliny może dochodzić do 50 ton z hektara, a ich „plon” można zwiększyć dokonujn z hektara, a ich "romadzio toksycznychie perzu zwyczajnego (pnie poddaje się je procesom termicznym, fąc zabiegów pocięcia w trakcie wegetacji. Najlepszym terminem na zbiór jest jesień, a następnie wysuszone rozłogi mogą być poddane dalszej utylizacji w postaci spalania lub kompostowania, w trakcie którego części organiczne ulegają prawie całkowitej mineralizacji.

Wśród roślin z rodziny motylkowych najwyżej ocenianymi fitoremediantami są wyki (Vicia sp.), peluszki (Pisum arvense L.) i łubiny (Lupinus sp.).

Prowadzone są również badania nad wykorzystaniem w procesie fitoekstrakcji innych roślin, nie przejawiających zdolności hiperakumulacji, wśród których na uwagę zasługują niektóre gatunki zbóż np. jęcznienia czy owsa oraz drzew, przede wszystkim wierzby, topoli, olchy i brzozy. Warto podkreślić, że rośliny te, ze względu na dużą biomasę, potrafią zakumulować w swoich tkankach ilości metali ciężkich porównywalne z wielkościami gromadzonymi przez hiperakumulatory.

Na uwagę zasługuje też, podjęta w ostatnich latach, fitoekstrakcja zanieczyszczeń zawartych w powietrzu. Przy pomocy roślin można oczyścić powietrze nie tylko z CO2, ale także z bardzo wielu szkodliwych gazów nieorganicznych, np. z NO2, SO2, O3, Cl2. Sadzenie drzew i krzewów w miastach i wzdłuż autostrad to jeden ze sposobów na ciągłą filtarację powietrza. Średniej wielkości drzewo usuwa rocznie około 13 kg CO2 i wydziela około 6 kg tlenu, co jest ilością wystarczającą w przypadku 4 osobowej rodziny. Duże drzewa w aglomeracjach miejskich obniżają od 2-22 proc. koszty ogrzewania budynków, poprzez hamowanie siły wiatru. W ten sposób zmniejsza się emisja CO2 i innych gazów do atmosfery.

Powietrze w terenach zurbanizowanych jest także skażone NO2, który jest emitowany przez pojazdy mechaniczne. Gaz ten powoduje poważne uszkodzenia płuc, zwłaszcza u dzieci oraz zwiększa wrażliwość układu oddechowego na choroby wirusowe. Rośliny pobierają dwutlenek azotu poprzez liście. Niektóre z nich mogą nawet rosnąć używając go jako jedynego źródła azotu. Wśród gatunków drzewiastych występujących w Polsce najwięcej NO2 pobiera topola czarna (Populus nigra L.) – 5,14 proc., Magnolia Kobus L. – 4,92 proc. i Robinia pseudoacacia L – 4,73 proc. Wśród zielonych roślin ozdobnych na uwagę zasługują: Carthamus, Chrysanthemum, Cosmos, Mathiola incana, Impatien i Petunia. Gatunki roślin drzewiastych i bylin odznaczających się tą zdolnością powinny być polecane w propozycjach obsadzeń skrzyżowań i planowanego systemu autostrad.

 

Fitodegradacja

 

Fitodegradacja polega na zdolności wybranych gatunków roślin do pobierania zanieczyszczeń ze skażonych miejsc, a następnie ich transformacji za pomocą kompleksów enzymatycznych cyklu metabolicznego. Proces ten może zachodzić również w sferze korzeniowej roślin dzięki enzymom degradującym wydzielanym do środowiska. Metoda ta znalazła zastosowanie w usuwaniu różnych zanieczyszczeń organicznych z gleby, osadów, a także wód gruntowych i powierzchniowych. Poza stwarzaniem optymalnych warunków życia dla mikroorganizmów prowadzących biodegradację sprzyjającym działaniem organizmów roślinnych w tych oraz pozostałych procesach fitoremediacji jest stabilizacja terenu zabezpieczająca go przed erozją, a także transpiracja uniemożliwiająca migrację zanieczyszczeń do głębszych warstw gleby. Badania naukowe wykazały, że w procesie degradacji trinitrotoluenu i trichloroethylenu obiecujące wyniki osiągnęły topole (szczególnie szybko rosnące mieszańce międzygatunkowe). Produkty odpadowe fabryk produkujących syntetyczne barwniki są usuwane przez rośliny z rodziny rdestowatych, np. rabarbar, zaś na terenach skażonych awaryjnymi wyciekami ropy naftowej ciekawym zjawiskiem było pojawienie się morwy czarnej (Morus alba L.) jako pierwszej rośliny drzewiastej kolonizującej te tereny.

 

Fitostabilizacja

 

Fitostabilizacja polega na wykorzystaniu roślin w celu unieruchomienia zanieczyszczeń w glebie i zmniejszenia ich dostępności w środowisku. Charakterystyczna immobilizacja ksenobiotyków może zachodzić wskutek absorpcji i akumulacji metali w korzeniach roślin, adsorpcji na powierzchni korzeni lub wytrącenia w strefie ryzosferowej. W procesie tym zanieczyszczona gleba jest zabezpieczana przed dalszą degradacją np. w wyniku erozji, a unieruchomione substancje mają ograniczoną zdolność do dalszego przemieszczania się do innych ogniw łańcucha pokarmowego. Fitostabilizacja znajduje zastosowanie zarówno dla zanieczyszczeń organicznych, jak i nieorganicznych.

 

Rizofiltracja

 

Proces rizofiltracji polega na zdolności wybranych gatunków roślin do absorpcji i adsorpcji zanieczyszczeń z wody i ścieków przez ich korzenie. Metoda ta może być wykorzystana do usuwania jonów metali ciężkich oraz pierwiastków radioaktywnych, występujących w stosunkowo niskich stężeniach w środowiskach wodnych. Opracowano różne warianty techniczne rizofiltracji począwszy od mat pływających po powierzchni i utrzymujących korzenie roślin w wodzie (słonecznik), przez rośliny wodne, takie jak: trzcina (Pragmites Australis), tatarak (Typha laifolia), hiacynt wodny (Eichhornia crassipes L.) czy rzęsa wodna (Lemna minor L.), aż do kultur korzeniowych in vitro.

Mimo, że środowisko wodne jest naturalnym siedliskiem roślin stosowanych w procesie rizofiltracji, to coraz większą uwagę zwraca się na możliwość wykorzystania do tego celu także roślin lądowych. Rośliny hodowane w kulturach hydroponicznych i aeroponicznych odznaczają się bowiem znacznie lepszą efektywnością w usuwaniu zanieczyszczeń aniżeli rośliny wodne.

 

Fitowolatalizacja

 

Zjawisko fitowolatalizacji polega na pobieraniu przez rośliny zanieczyszczeń z powietrza, ich transpiracji, a następnie odparowaniu w zmodyfikowanej formie. Proces ten jest wykorzystywany przede wszystkim do oczyszczania środowiska wodnego oraz gleb skażonych selenem, rtęcią lub arsenem. Fitoodparowaniu mogą też ulegać niektóre związki organiczne, takie jak trójchloroetylen, benzen, nitrobenzen, fenol czy atrazyna.

Rośliny jako żywe organizmy wymagają odpowiednich warunków dla ich wzrostu i rozwoju, co może być przyczyną pewnych ograniczeń w stosowaniu tej metody. Zasadniczym warunkiem wykorzystania fitowolatalizacji jest też dobra znajomość cech i reakcji oczyszczanej gleby na stosowane zabiegi.

Niestety jest to proces dość powolny. Zakłada się, że powinien on trwać nie dłużej niż 5 lat, a wyjątkowych przypadkach do 10 lat. Technologia ta może być trudna do przeprowadzenia przy bardzo wysokich stężeniach zanieczyszczeń, ponieważ nawet niezwykle tolerancyjne rośliny gromadzą niewielką biomasę, jako że prawie całą pozyskaną energię muszą przeznaczyć na funkcjonowanie mechanizmów obronnych. Jest to jednak technika atrakcyjna ekonomicznie, przyjazna środowisku i społecznie akceptowana i z pewnością jest bardzo przyszłościowym kierunkiem biotechnologii środowiskowej.

Techniki fitoremediacji, oprócz oczywistych korzyści, wynikających z oczyszczenia  środowiska naturalnego ze szkodliwych substancji, posiadają także szereg innych zalet. Można je stosować bezpośrednio w miejscu wystąpienia skażenia, nawet na dużych obszarach. Niewątpliwym walorem jest też fakt, że pobrane przez roślinę zanieczyszczenia są ulokowane w wytworzonej biomasie, która jako substancja organiczna może być utylizowana w procesie spalania, gdzie ulega całkowitej lub znacznej degradacji. Inną bardzo ważną zaletą fitoremediacji jest jej konkurencyjność cenowa względem metod przemysłowych. Szacuje się, że koszt oczyszczenia jednego metra sześciennego gleby (w praktyce 4 m2powierzchni uprawnej)  to około 800 euro, podczas gdy w przypadku  fitoremediacji cena ta zależnie od metalu i jego koncentracji zamyka się w granicach od 40 do 200 euro. Ponadto ze względu na to, że techniki z użyciem roślin nie niszczą środowiska, a dodatkowo polepszają jego walory estetyczne, cieszą się one dużą akceptacją społeczną.

Jak każda technologia fitoremediacja ma także swoje słabe strony. Jednym z podstawowych ograniczeń jest stosunkowo długi czas oczekiwania na pożądane rezultaty. Zwykle proces oczyszczania trwa od dwóch do pięciu lat, chociaż w przypadku metali ciężkich okres ten może się wydłużyć nawet do trzydziestu lat. Na szybkość usuwania zanieczyszczeń wpływają m.in.: długość sezonu wegetacyjnego, rodzaj gleby, odpowiednia ilość składników odżywczych i wody oraz odporność roślin na choroby i szkodniki. Dodatkowo rośliny mogą oczyszczać podłoże tylko do głębokości penetracji przez system korzeniowy, dlatego zanieczyszczenia zalegające niżej nie ulegają fitoremediacji. Przeszkodą jest również trudny do przewidzenia kierunek degradacji pobranej przez rośliny substancji oraz zbyt niska ich odporność na wysokie stężenia toksycznych związków zagrażających środowisku. Jednakże intensywny rozwój w dziedzinie biotechnologii środowiskowej pozwala mieć nadzieję, że w niedalekiej przyszłości wszelkie bariery zostaną pokonane i fitoremediacja stanie się podstawową metodą oczyszczania środowiska naturalnego.

W Polsce na początku lat dziewięćdziesiątych powstało kilkanaście oczyszczalni wykorzystujących techniki fitoremediacyjne do oczyszczania ścieków, także tych, których skład i objętość w różnych okresach użytkowania ulegaja znacznym wahaniom. Stosowano je także do usuwania zanieczyszczeń z terenów sąsiadujących z hutą cynku Waryński na Górnym Śląsku. Za pomocą gorczycy sarepskiej przeprowadzono fitoekstrakcję metali ciężkich, indukowaną dodatkiem związków chelatujących na obszarze 1 ha, zaś na terenie Górnego Śląska trwają prace z wykorzystaniem tej metody do oczyszczania hałd przemysłowych.

 

 

Oprac. Joanna Radziewicz

 

Literatura:

 

  1. Gawroński S.W.: Fitoremediacja a tereny zieleni. Zieleń Miejska 2009 nr 10 [online].
  2. Kiryluk A.: Zawartość metali ciężkich w glebie i wybranych roślinach trawników przyulicznych aglomeracji białostockiej. Roczniki Gleboznawcze 2008 nr ¾, s. 128-133.
  3. Marecki R., Króliczak P., Cyplik P.: Fitoremediacja – alternatywa dla tradycyjnych metod oczyszczania środowiska. Biotechnologia 2006 nr 3, s.89-97.
  4. Nowak J.: Wpływ roślin ozdobnych na zdrowie człowieka. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 2005 z.504 cz.1, s.33-42.
  5. Gawroński S.W. Fitoremediacja na terenie zurbanizowanym nowym wyzwaniem dla uprawy roślin. [W:] Efektywność stosowania nawozów w uprawach ogrodniczych : zmiany ilościowe i jakościowe w warunkach stresu : VIII Ogólnopolska Konferencja Naukowa, Warszawa, 20-21 czerwca 2000. Warszawa : Wydaw.Fund. "Rozwój SGGW", 2000, s. 25-31.
  6. Kondzielski I., Buczkowski R.: Fitoremediacja – nowa, obiecująca metoda stosowana w ochronie środowiska. Ekologia i Technika 1999 nr 3, s.79-83.
Submit to FacebookSubmit to Google PlusSubmit to Twitter