Proces fytoextrakce - Phytoextraction process

Fytoextrakce je podproces fytoremediace ve kterých rostliny odstraňují nebezpečné prvky nebo sloučeniny z půdy nebo vody, nejčastěji těžké kovy, kovy, které mají vysokou hustotu a mohou být toxické pro organismy i při relativně nízkých koncentracích.[1] Těžké kovy, které rostliny extrahují, jsou také toxické pro rostliny a rostliny používané pro fytoextrakci jsou známé hyperakumulátory že izolovat extrémně velké množství těžkých kovů v jejich tkáních. Fytoextrakci mohou provádět také rostliny, které přijímají nižší úrovně znečišťujících látek, ale díky své vysoké rychlosti růstu a produkci biomasy mohou z půdy odstranit značné množství kontaminantů.[2].

Těžké kovy a biologický systém

Těžké kovy mohou být velkým problémem pro jakýkoli biologický organismus, protože mohou reagovat s řadou chemických látek nezbytných pro biologické procesy.

Mohou také rozdělit další molekuly na ještě reaktivnější druhy (například:Reaktivní formy kyslíku ), které také narušují biologické procesy. Tyto reakce snižují koncentraci důležitých molekul a také produkují nebezpečně reaktivní molekuly, jako jsou radikály O. a OH..

Nehyperakumulátory také absorbují určitou koncentraci těžkých kovů, protože mnoho těžkých kovů je chemicky podobných jiným kovům, které jsou nezbytné pro život rostlin.

Proces

Aby rostlina extrahovala těžký kov z vody nebo půdy, musí se stát pět věcí. 1. Kov se musí rozpustit v něčem, co mohou kořeny rostlin absorbovat. Kořeny rostlin musí absorbovat těžký kov. Rostlina musí kov chelátovat, aby se jednak chránila a jednak aby byl kov mobilnější (k tomu může dojít také předtím, než je kov absorbován).

Chelace je proces, při kterém je kov obklopen a chemicky vázán na organickou sloučeninu. Tento proces je zobrazen na obrázku s názvem „Metal-EDTA Chelate“

4. Závod přemístí chelátovaný kov na místo, kde jej bude bezpečně uložen 5. Nakonec se závod musí přizpůsobit jakémukoli poškození způsobenému kovy během přepravy a skladování

Rozpuštění

V normálním stavu nemohou být kovy přijímány do žádného organismu. Musí být rozpuštěny jako iont v roztoku, aby byly v organismu mobilní.[3] Jakmile je kov mobilní, může být buď přímo transportován přes kořen buněčná stěna konkrétním transportérem kovů nebo přeneseným konkrétním agentem. Kořeny rostlin zprostředkovávají tento proces vylučováním věcí, které zachytí kov v rhizosféra a poté transportujte kov přes buněčnou stěnu. Některé příklady jsou: fytosiderofory, organické kyseliny nebo karboxyláty [4] Pokud je kov v tomto okamžiku chelátován, pak ho rostlina nemusí chelátovat později a chelát slouží jako případ, aby se kov ukryl před zbytkem rostliny. Tímto způsobem se může hyperakumulátor chránit před toxickými účinky jedovatých kovů.

Kořenová absorpce

První věc, která se stane, když je kov absorbován, je to, že se váže na stěnu kořenové buňky.[5] Kov je poté transportován do kořene. Některé rostliny poté ukládají kov chelatací nebo sekvestrací. Mnoho specifických ligandů přechodných kovů přispívajících k detoxikaci a transportu kovů je v rostlinách up-regulováno, pokud jsou kovy dostupné v rhizosféře.[6] V tomto okamžiku může být kov samotný nebo již izolován chelatačním činidlem nebo jinou sloučeninou. Chcete-li se dostat do xylem, kov poté musí projít kořenovým symplasmatem.

Doprava typu root-to-shoot

Systémy, které přepravují a ukládají těžké kovy, jsou nejdůležitějšími systémy v hyperakumulátoru, protože těžké kovy poškodí rostlinu před jejich uložením. Transport těžkých kovů z kořene do výhonku je silně regulován genovou expresí. Byly identifikovány geny, které kódují systémy přenosu kovů v rostlinách. Tyto geny jsou exprimovány v rostlinách s vysokou akumulací i bez hyperakumulace. Existuje velké množství důkazů, že geny, o nichž je známo, že kódují transportní systémy těžkých kovů, jsou neustále nadměrně exprimovány v hyperakumulačních rostlinách, když jsou vystaveny těžkým kovům.[7] Tyto genetické důkazy naznačují, že hyperakumulátory nadměrně rozvíjejí své systémy přenosu kovů. Může se jednat o urychlení procesu root-to-shoot, který omezuje dobu, po kterou je kov vystaven rostlinným systémům, než je uskladněn. Akumulace kadmia byla zkontrolována.[8]

Tyto transportéry jsou známé jako ATPázy (HMA) transportující těžké kovy.[9]Jedním z nejlépe zdokumentovaných HMA je HMA4, který patří do podtřídy Zn / Co / Cd / Pb HMA a je lokalizován na plazmatických membránách xylemového parenchymu.[10] HMA4 je nadregulován, když jsou rostliny vystaveny vysokým hladinám Cd a Zn, ale u svých nehyperakumulačních příbuzných je regulován dolů.[11] Když se zvýší exprese HMA4, dojde také ke korelačnímu zvýšení exprese genů patřících do rodiny ZIP (Zinc regulovaný transportér Iron regulované transportní proteiny). To naznačuje, že transportní systém root-to-shoot funguje jako hybná síla hyperakumulace tím, že vytváří reakci nedostatku kovu v kořenech.[12]

Úložný prostor

Systémy, které přepravují a ukládají těžké kovy, jsou nejdůležitějšími systémy v hyperakumulátoru, protože těžké kovy poškozují rostlinu před jejich uložením. V hyperakumulátorech jsou těžké kovy často uloženy v listech.

Jak může být fytoextrakce užitečná

Pro rostliny

Existuje několik teorií, které vysvětlují, proč by bylo pro rostlinu výhodné to udělat.

  1. Hypotéza „elementární obrany“ předpokládá, že se predátoři možná vyhnou konzumaci hyperakumulátorů kvůli těžkým kovům. V tuto chvíli však vědci nebyli schopni určit korelaci.[13]

V roce 2002 byla provedena studie na katedře farmakologie na lékařské univerzitě Bangabandhu Sheikh Mujib v Bangladéši, která používala Vodní hyacint k odstranění arsenu z vody.[14] Tato studie prokázala, že vodu lze za několik hodin zcela očistit od arsenu a že rostlinu lze potom použít jako krmivo pro zvířata, palivové dřevo a mnoho dalších praktických účelů. Vzhledem k tomu, že vodní hyacint je invazivní, je nenákladný růst a mimořádně praktický.

Viz také

Reference

  1. ^ http://www.ilpi.com/msds/ref/heavymetal.html
  2. ^ Guidi Nissim W., Palm E., Mancuso S., Azzarello E. (2018) „Fytoextrakce stopových prvků z kontaminované půdy: případová studie ve středomořském podnebí“. Věda o životním prostředí a výzkum znečištění https://doi.org/10.1007/s11356-018-1197-x
  3. ^ Misra V., Tiwari A., Shukla B. & Seth C.S. (2009) Účinky úprav půdy na biologickou dostupnost těžkých kovů z hlušiny zinku. Hodnocení monitorování životního prostředí 155, 467–475.
  4. ^ Han F., Shan X.Q., Zhang S.Z., Wen B. & Owens G. (2006) Enhanced akumulace kadmia v kořenech kukuřice - dopad organických kyselin. Rostlina a půda 289, 355–368.
  5. ^ Clemens S., Palmgren M.G. & Krämer U. (2002) Dlouhá cesta vpřed: porozumění a akumulace kovů v závodě. Trends in Plant Science 7, 309–315.
  6. ^ Seth, C. S., et al. „Fytoextrakce toxických kovů: ústřední role glutathionu.“ Plant, Cell and Environment (2011) SCOPUS. Web. 16. října 2011.
  7. ^ Rascio, N. a F. Navari-Izzo. „Hyperakumulační rostliny těžkých kovů: Jak a proč to dělají? A čím jsou tak zajímavé?“ Plant Science 180.2 (2011): 169-81. SCOPUS. Web. 16. října 2011.
  8. ^ Küpper, Hendrik; Leitenmaier, Barbara (2013). „Kapitola 12. Rostliny akumulující kadmium“. In Astrid Sigel, Helmut Sigel a Roland K. O. Sigel (ed.). Kadmium: Od toxikologie po esenciálnost. Kovové ionty v biologických vědách. 11. Springer. 373–413. doi:10.1007/978-94-007-5179-8_12.
  9. ^ K.B. Axelsen a M.G. Palmgren, Inventář nadrodiny iontových pump P-Type v Arabidopsis. Plant Physiol., 126 (1998), str. 696–706.
  10. ^ Rascio, N. a F. Navari-Izzo. „Hyperakumulační rostliny těžkých kovů: Jak a proč to dělají? A čím jsou tak zajímavé?“ Plant Science 180.2 (2011): 169-81. SCOPUS. Web. 16. října 2011.
  11. ^ A. Papoyan a L.V. Kochian, Identifikace genů Thlaspi caerulescens, které se mohou podílet na hyperakumulaci a toleranci těžkých kovů. Charakterizace nové ATPázy přepravující těžké kovy. Plant Physiol., 136 (2004), str. 3814–3823.
  12. ^ M. Hanikenne a kol. Vývoj hyperakumulace kovů vyžadoval cis-regulační změny a ztrojnásobení HMA4. Nature, 453 (2008), s. 391–395
  13. ^ Rascio, N. a F. Navari-Izzo. „Hyperakumulační rostliny těžkých kovů: Jak a proč to dělají? A čím jsou tak zajímavé?“ Plant Science 180.2 (2011): 169-81. SCOPUS. Web. 16. října 2011.
  14. ^ Misbahuddin, M. a A. Fariduddin. „Vodní hyacint odstraňuje arsen z pitné vody kontaminované arsenem.“ Archives of Environmental Health 57.6 (2002): 516-8. SCOPUS. Web. 26. září 2011.