Phytoremediation: Reinigung des Bodens mit Blumen

David Trood/Getty Images

Laut dem Internationale Phytotechnologiegesellschaft Website ist Phytotechnologie definiert als die Wissenschaft der Verwendung von Pflanzen zur Lösung von Umweltproblemen wie Umweltverschmutzung, Wiederaufforstung, Biokraftstoffe und Deponierung. Phytoremediation, eine Unterkategorie der Phytotechnologie, verwendet Pflanzen, um Schadstoffe aus Böden oder aus Wasser zu absorbieren.

Die beteiligten Schadstoffe können umfassen Schwermetalle , definiert als alle Elemente, die als Metall angesehen werden, die Umweltverschmutzung oder Umweltprobleme verursachen können und die nicht weiter abgebaut werden können. Eine hohe Anreicherung von Schwermetallen in einem Boden oder Wasser kann als giftig für Pflanzen oder Tiere angesehen werden.

Warum Phytoremediation verwenden?

Andere Methoden zur Sanierung von Böden, die mit Schwermetallen verunreinigt sind, können 1 Million US-Dollar pro Acre kosten, während die Phytoremediation auf zwischen 45 Cent und 1,69 US-Dollar pro Quadratfuß geschätzt wurde, was die Kosten pro Acre auf Zehntausende von Dollar senkt.

Wie funktioniert Phytoremediation?

Nicht jede Pflanzenart kann für die Phytoremediation verwendet werden. Eine Pflanze, die mehr Metalle aufnehmen kann als normale Pflanzen, wird als Hyperakkumulator bezeichnet. Hyperakkumulatoren können mehr Schwermetalle aufnehmen, als im Boden vorhanden sind, in dem sie wachsen.

Alle Pflanzen benötigen einige Schwermetalle in kleinen Mengen; Eisen, Kupfer und Mangan sind nur einige der Schwermetalle, die für die Pflanzenfunktion unerlässlich sind. Außerdem gibt es Pflanzen, die eine hohe Menge an Metallen in ihrem System tolerieren können, sogar mehr als sie für ein normales Wachstum benötigen, anstatt Toxizitätssymptome zu zeigen. Zum Beispiel eine Art von Thlaspi hat ein Protein, das als „Metalltoleranzprotein“ bezeichnet wird. Zink wird stark von aufgenommen Thlaspi aufgrund der Aktivierung einer systemischen Zinkmangelreaktion. Mit anderen Worten, das Metalltoleranzprotein sagt der Pflanze, dass sie mehr Zink braucht, weil sie „mehr braucht“, auch wenn sie das nicht tut, also nimmt sie mehr auf!

Spezialisierte Metalltransporter innerhalb einer Pflanze kann auch bei der Aufnahme von Schwermetallen helfen. Die Transporter, die spezifisch für das Schwermetall sind, an das es bindet, sind Proteine, die den Transport, die Entgiftung und die Sequestrierung von Schwermetallen in Pflanzen unterstützen.

Mikroben in der Rhizosphäre haften an der Oberfläche von Pflanzenwurzeln, und einige sanierende Mikroben sind in der Lage, organische Materialien wie z Petroleum und Schwermetalle nach oben und aus dem Boden nehmen. Davon profitieren sowohl die Mikroben als auch die Pflanze, da der Prozess eine Vorlage und eine Nahrungsquelle für Mikroben bieten kann, die organische Schadstoffe abbauen können. Anschließend setzen die Pflanzen Wurzelausscheidungen, Enzyme und organischen Kohlenstoff frei, von denen sich die Mikroben ernähren können.

Geschichte der Phytoremediation

Der „Pate“ der Phytoremediation und der Erforschung von Hyperakkumulator-Pflanzen könnte sehr gut sein R. R. Brooks von Neuseeland. Eine der ersten Veröffentlichungen über eine ungewöhnlich hohe Aufnahme von Schwermetallen in Pflanzen in einem verschmutzten Ökosystem wurde von geschrieben Reeves und Brooks im Jahr 1983. Sie fanden heraus, dass die Konzentration von Blei in Thlaspi in einem Bergbaugebiet gelegen, war mit Abstand der höchste, der jemals für eine blühende Pflanze gemessen wurde.

Die Arbeit von Professor Brooks über die Hyperakkumulation von Schwermetallen durch Pflanzen führte zu Fragen, wie dieses Wissen zur Reinigung verschmutzter Böden genutzt werden könnte. Der erste Artikel über Phytoremediation wurde von Wissenschaftlern der Rutgers University über die Verwendung speziell ausgewählter und konstruierter metallspeichernder Pflanzen zur Reinigung verschmutzter Böden geschrieben. 1993, ein US-Patent wurde von einer Firma namens Phytotech eingereicht. Das Patent mit dem Titel „Phytoremediation of Metals“ offenbarte ein Verfahren zur Entfernung von Metallionen aus dem Boden mithilfe von Pflanzen. Mehrere Pflanzenarten, darunter Rettich und Senf, wurden gentechnisch verändert, um ein Protein namens Metallothionein zu exprimieren. Das Pflanzenprotein bindet Schwermetalle und entfernt sie, sodass keine Pflanzentoxizität auftritt. Aufgrund dieser Technologie können gentechnisch veränderte Pflanzen, einschließlich Arabidopsis , Tabak, Raps und Reis wurden modifiziert, um mit Quecksilber kontaminierte Gebiete zu sanieren.

Externe Faktoren, die die Phytoremediation beeinflussen

Der Hauptfaktor, der die Fähigkeit einer Pflanze zur Hyperakkumulation von Schwermetallen beeinflusst, ist das Alter. Junge Wurzeln wachsen schneller und nehmen Nährstoffe schneller auf als ältere Wurzeln, und das Alter kann auch beeinflussen, wie sich die chemische Verunreinigung durch die Pflanze bewegt. Natürlich beeinflussen die mikrobiellen Populationen im Wurzelbereich die Aufnahme von Metallen. Transpirationsraten aufgrund von Sonne/Schatten und jahreszeitlichen Veränderungen können auch die Aufnahme von Schwermetallen durch Pflanzen beeinflussen.

Pflanzenarten, die für die Phytoremediation verwendet werden

Über 500 Pflanzenarten Es wird berichtet, dass sie Hyperakkumulationseigenschaften haben. Natürliche Hyperakkumulatoren umfassen Zwischen-Iberis und Thlaspi spp. Unterschiedliche Pflanzen reichern unterschiedliche Metalle an; zum Beispiel, Brassica juncea sammelt Kupfer, Selen und Nickel, wohingegen Arabidopsis sagt sammelt Cadmium und Lemna ist oben reichert Arsen an. Pflanzen verwendet in konstruierte Feuchtgebiete gehören Seggen, Binsen, Schilf und Rohrkolben, da sie hochwassertolerant sind und Schadstoffe aufnehmen können. Gentechnisch veränderte Pflanzen, einschließlich Arabidopsis , Tabak, Raps und Reis, wurden modifiziert, um mit Quecksilber kontaminierte Gebiete zu sanieren.

Wie werden Pflanzen auf ihre hyperakkumulativen Fähigkeiten getestet? Pflanzengewebekulturen werden aufgrund ihrer Fähigkeit, Pflanzenreaktionen vorherzusagen und Zeit und Geld zu sparen, häufig in der Phytoremediationsforschung eingesetzt.

Marktfähigkeit der Phytoremediation

Die Phytoremediation ist theoretisch aufgrund ihrer geringen Einrichtungskosten und relativen Einfachheit beliebt. In den 1990er Jahren arbeiteten mehrere Unternehmen mit Phytoremediation, darunter Phytotech, PhytoWorks und Earthcare. Andere große Unternehmen wie Chevron und DuPont entwickelten ebenfalls PhytoremediationTechnologien. Die Unternehmen haben jedoch in letzter Zeit wenig Arbeit geleistet, und einige der kleineren Unternehmen haben ihre Geschäftstätigkeit eingestellt. Zu den Problemen mit der Technologie gehören die Tatsache, dass Pflanzenwurzeln nicht weit genug in den Bodenkern reichen können, um einige Schadstoffe anzureichern, und die Entsorgung der Pflanzen, nachdem eine Hyperakkumulation stattgefunden hat. Die Pflanzen dürfen nicht wieder in den Boden gepflügt, von Menschen oder Tieren verzehrt oder auf einer Deponie entsorgt werden. Dr. Brooks leitete bahnbrechende Arbeiten zur Gewinnung von Metallen aus Hyperakkumulatoranlagen. Dieser Prozess wird Phytomining genannt und beinhaltet das Schmelzen von Metallen aus den Pflanzen.