Фиторемедиация: зеленая революция в экологии
Для обезвреживания ядовитых органических веществ, попадающих в окружающую среду с отходами химических предприятий, уже давно и довольно успешно используют различные микроорганизмы. Однако они не способны удалять из почвы и воды вредные для здоровья тяжелые металлы – например, мышьяк, кадмий, медь, ртуть, селен, свинец, а также радиоактивные изотопы стронция, цезия, урана и другие радионуклиды. Иное дело зеленые растения, которые извлекают из окружающей среды и концентрируют в своих тканях различные элементы.
Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье.
Этот метод очистки окружающей среды был назван фиторемедиацией – от греческого "фитон" (растение) и латинского "ремедиум" (восстанавливать).
Фиторемедиация стала эффективным и экономически выгодным методом очистки окружающей среды только после того, как обнаружили растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5% никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес - то есть в десятки раз больше, чем обычные растения. Биологическое значение этого феномена еще до конца не раскрыто: можно, например, предположить, что высокое содержание токсичных элементов защищает растения от вредителей и делает их более устойчивыми к болезням.
Использовать гипераккумуляторы для очистки почвы и воды предложили еще в начале 80-х годов. Однако до практики было еще далеко – во-первых, потому, что биомасса этих растений была невелика, а во-вторых, потому, что не была разработана технология их выращивания.
Большинство дикорастущих гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных – близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, или сарептской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля. Свинец способны накапливать также кукуруза и известный сорняк амброзия.
Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы – например, тот же свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом.
Проблему удалось решить, когда обнаружили, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг!
К сожалению, мы еще мало знаем о механизмах накопления растениями тяжелых металлов, потому что до сих пор основное внимание уделялось усвоению соединений азота, фосфора и других элементов питания.
Успешные эксперименты с этилендиаминтетрауксусной кислотой позволяют предположить, что растения усваивают малорастворимые соединения тяжелых металлов в результате того, что их корни выделяют в почву какие-то природные вещества-комплексообразователи. Например, известно, что при недостатке в растениях железа их корни выделяют в почву так называемые фитосидерофоры, которые переводят в растворимое состояние содержащиеся в почве железосодержащие минералы. Однако было замечено, что фитосидерофоры способствуют и накоплению в растениях меди, цинка, марганца.
Лучше всего изучены фитосидерофоры ячменя и кукурузы – мугеиновая и дезоксимугеиновая кислоты, а также выделяемая овсом авениковая кислота; роль фитосидерофоров, возможно, играют и некоторые белки, обладающие способностью связывать тяжелые металлы и делать их более доступными для растений.
Доступность для растений тяжелых металлов, связанных с частицами почвы, повышают и находящиеся в мембранах корневых клеток ферменты редуктазы. Так, установлено, что у гороха, испытывающего недостаток железа или меди, повышается способность восстанавливать ионы этих элементов. Корни некоторых растений (например, фасоли и других двудольных) могут при недостатке железа повышать кислотность почвы, в результате чего его соединения переходят в растворимое состояние. В повышении биологической доступности тяжелых металлов немалую роль может играть и корневая микрофлора.
О механизме переноса тяжелых металлов из корней в надземные части растений известно еще меньше. Ясно лишь, что обычно малорастворимые соли тяжелых металлов перемещаются по сосудистой системе в виде каких-то комплексных соединений – возможно, с органическими кислотами типа лимонной.
Для очистки воды неодно кратно пытались использовать растения, способные накапливать тяжелые металлы не только в стеблях и листьях, но и в корневой системе; наиболее подходящими для этой цели оказались некоторые сорта подсолнечника. Выращиваемые в специальной фильтрационной системе, они активно поглощали из воды загрязняющие вещества, производя в месяц до 1,5 кг сухого вещества корней на квадратный метр. Особенность этой установки заключалась в том, что для укоренения растений служил слой искусственной почвы толщиной всего в несколько сантиметров и через него к корням подавались минераль ные соли; основная же часть корней развивалась под слоем искусственной почвы в проточной воде, поглощая из нее тяжелые металлы.
Нам удалось обнаружить, что проростки некоторых наземных растений, выращиваемых на гидропонике, зачастую более эффективно удаляют из воды тяжелые металлы, по-видимому, потому, что у них больше отношение поверхности к объему; кроме того, проростки способны просто адсорбировать загрязняющие вещества.
Механизмы очистки воды с помощью корней и проростков могут быть разными. При удалении свинца главную роль играет, возможно, образование нерастворимых соединений и ионная сорбция. Так, на корнях индийской горчицы, находящихся в воде, образуется нерастворимый слой, который состоит преимущественно из карбоната свинца; такой же слой образуется и на корнях кукурузы. Вместе с тем свинец может связываться и с пектиновой фракцией клеточных стенок, обладающей ионообменными свойствами.
Возможность очистки почвы и воды от радионуклидов с помощью проростков подсолнечника была нами успешно продемонстрирована на территории бывшего завода по обогащению урана в США, в штате Огайо, а также на Украине, на небольшом водоеме в километре от четвертого реактора Чернобыльской АЭС. Концентрация урана в растениях в тридцать тысяч раз превышала его концентрацию в почве и воде, а для цезия-137 и стронция-90 эта величина составила восемь и две тысячи раз соответственно.
Дальнейшего развития методов фиторемедиации можно ожидать после того, как методами генной инженерии будут созданы растения, способные более эффективно, чем известные виды, концентрировать тяжелые металлы.
Растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов: (рис.1 и 2)
а – индийская (сарептская) горчица;
б – кукуруза;
в – подсолнечник
