Для знешкодження отруйних органічних речовин, що потрапляють у навколишнє середовище з відходами хімічної промисловості, вже давно і досить успішно використовують різні мікроорганізми. Однак вони не здатні видаляти з грунту і води шкідливі для здоров'я важкі метали - наприклад, миш'як, кадмій, мідь, ртуть, селен, свинець, а також радіоактивні ізотопи стронцію, цезію, урану і інші радіонукліди. Інша річ зелені рослини, які витягують з навколишнього середовища і концентрують у своїх тканинах різні елементи. Рослинну масу не складає особливих труднощів зібрати і спалити, а утворений попіл або захоронити, або використовувати як вторинну сировину.
Цей метод очищення навколишнього середовища був названий фіторемедіація - від грецького «Фітон» (рослина) і латинського «ремедіум» (відновлювати).
Відновлення навколишнього середовища рослинами
Рослини, що видаляють з грунту важкі метали
Фіторемедіація стала ефективним і економічно вигідним методом очищення навколишнього середовища тільки після того, як виявили рослини -гіпераккумулятори важких металів, здатні накопичувати в своєму листі до 5% нікелю, цинку або міді в перерахунку на суху вагу - тобто в десятки разів більше, ніж звичайні рослини. Біологічне значення цього феномена ще до кінця не розкрите: можна, наприклад, припустити, що високий вміст токсичних елементів захищає рослини від шкідників і робить їх більш стійкими до хвороб.
Використовувати гіпераккумулятори для очищення грунту і води запропонували ще на початку 80-х років. Однак до практики було ще далеко - по-перше, тому, що біомаса цих рослин була невелика, а по-друге, тому, що не була розроблена технологія їх вирощування.
Більшість дикорослих гіпераккумуляторов відноситься до сімейства хрестоцвітних - близьких родичів капусти і гірчиці; один з видів гірчиці, так званої індійської, або сарептської, виявився досить ефективним накопичувачем свинцю, міді та нікелю. Свинець здатні накопичувати також кукурудза і відомий бур'ян амброзія.
Рослини слабо засвоюють багато важкі метали - наприклад, той же свинець - навіть при їх високому вмісті в ґрунті через те, що вони знаходяться у вигляді малорозчинних сполук. Тому концентрація свинцю в рослинах зазвичай не перевищує 50 мг/кг, і навіть індійська гірчиця, генетично схильна до поглинання важких металів, накопичує свинець в концентрації всього 200 мг/кг, навіть якщо зростає на грунті, сильно забрудненої цим елементом.
Збільшення рівня поглинання забруднюючих металів
Проблему вдалося вирішити, коли виявили, що надходження важких металів в рослини стимулюють речовини (наприклад, етилендіамінтетраоцтова кислота), що утворюють з металами в грунтовому розчині стійкі, але розчинні комплексні сполуки.
Так, варто було внести подібну речовину в грунт, що містить свинець в концентрації 1200 мг/кг, як концентрація важкого металу в пагонах
індійської гірчиці зростала до 1600 мг/кг!
На жаль, ми ще мало знаємо про механізми накопичення рослинами важких металів, тому що до сих пір основна увага приділялася засвоєнню сполук азоту, фосфору та інших елементів живлення.
Успішні експерименти з етилен-діамінтетрауксусною кислотою дозволяють припустити, що рослини засвоюють малорозчинні сполуки важких металів в результаті того, що їх коріння виділяють в ґрунт якісь природні речовини-комплексоутворювачі. Наприклад, відомо, що при нестачі в рослинах заліза їх коріння виділяє в грунт так звані фітосідерофори, які переводять в розчинний стан розміщені в грунті залізовмісні мінерали. Однак було відмічено, що фітосідерофори сприяють і накопинченню в рослинах міді, цинку, марганцю.
Найкраще вивчені фітосідерофори ячменю і кукурудзи - мугеінова і дезоксімугеінова кислоти, а також авенікова кислота, яка виділяється вівсом; роль фітосідерофорів, можливо, грають і деякі білки, що володіють здатністю зв'язувати важкі метали і робити їх більш доступними для рослин.
Доступність для рослин важких металів, пов'язаних з частинками грунту, підвищують і розміщені в мембранах кореневих клітин ферменти-редуктази. Так, встановлено, що у гороху, що зазнає недолік заліза або міді, підвищується здатність відновлювати іони цих елементів. Коріння деяких рослин (наприклад, квасолі та інших дводольних) можуть при нестачі заліза підвищувати кислотність грунту, в результаті чого його сполуки переходять в розчинний стан. У підвищенні біологічної доступності важких металів чималу роль може грати і коренева мікрофлора.
Про механізм перенесення важких металів з коріння в надземні частини рослин відомо ще менше. Ясно лише, що зазвичай малорозчинні солі важких металів переміщаються по судинній системі у вигляді якихось комплексних сполук - можливо, з органічними кислотами типу лимонної.
Очищення води за допомогою рослин
Для очищення води неодноразово намагалися використовувати рослини, здатні накопичувати важкі метали не тільки в стеблах і листках, але і в кореневій системі; найбільш підходящими для цієї мети виявилися деякі сорти соняшнику. Вирощувані в спеціальній фільтраційній системі, вони активно поглинали з води забруднюючі речовини, виробляючи на місяць до 1,5 кг сухої речовини коренів на квадратний метр. Особливість цієї установки полягала в тому, що для вкорінення рослин служив шар штучного грунту товщиною всього в декілька сантиметрів і через нього до коріння подавалися мінеральні солі; основна ж частина коренів розвивалася під шаром штучного грунту в проточній воді, поглинаючи з неї важкі метали.
Вдалося виявити, що проростки деяких наземних рослин, вирощуваних на гідропоніці, часто більш ефективно видаляють з води важкі метали, мабуть, тому, що у них більше відношення поверхні до об'єму; крім того, проростки здатні просто адсорбувати забруднюючі речовини.
Механізми очищення води за допомогою коренів і проростків можуть бути різними. При видаленні свинцю головну роль грає, можливо, утворення нерозчинних сполук і іонна сорбція. Так, на коренях індійської гірчиці, що знаходяться у воді, утворюється нерозчинний шар, який складається переважно з карбонату свинцю; такий же шар утворюється і на коренях кукурудзи. Разом з тим свинець може зв'язуватися і з пектиновою фракцією клітинних стінок, що володіють іонообмінними властивостями.
Очищення води і грунтів від радіоактивних речовин
Можливість очищення грунту і води від радіонуклідів за допомогою проростків соняшнику була успішно продемонстрована на території колишнього заводу зі збагачення урану в США, в штаті Огайо, а також на Україні, на невеликому водоймищі в кілометрі від четвертого реактора Чорнобильської АЕС. Концентрація урану в рослинах в тридцять тисяч разів перевищувала його концентрацію в грунті і воді, а для цезію-137 і стронцію-90 ця величина склала вісім і дві тисячі разів відповідно.
Подальшого розвитку методів фіторемедіаціі можна очікувати після того, як методами генної інженерії будуть створені рослини, здатні більш ефективно, ніж відомі види, концентрувати важкі метали.
