Металлоустойчивые растения для технологий фиторемедиации

 

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН  
ЕВРАЗИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ.Л.Н.ГУМИЛЕВА

 

 

 

 

 

Кафедра биотехнологии и микробиологии

 

 

 

 

Реферат

 

Металлоустойчивые растения для технологий фиторемедиации

Экологическая биотехнология

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовила: Нургалиева А.Ж, БТ-42

Преподаватель: Искакова К.А, доцент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Астана 2013

Содержание:

 

Введение

Устойчивость растений к тяжелым металлам

Фиторемедиация

Изучение биоразнообразия для фиторемедиации металлов в окружающей среде.

Почвенный pH

Заключение

Использованные источники

Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Нежелательным результатом антропогенного воздействия на среду является химическое загрязнение почв различными поллютантами. К числу наиболее приоритетных загрязнителей, обладающих высоким токсичным, мутагенным и канцерогенным эффектом, относят тяжелые металлы (ТМ). В условиях загрязнения ТМ могут накапливаться в верхних горизонтах почвы, активно воздействуя в первую очередь на растения. Это приводит к постепенному изменению химического состава, нарушению единства геохимической среды и увеличению негативного воздействия на биоту.

Исследования показывают, что огромный потенциал в целях ремедиации окружающей среды имеют растения, способные к сверхаккумуляции металлов.

Металлы, радионуклиды и другие неорганические загрязняющие вещества – одни из наиболее распространенных форм загрязнителей окружающей среды, их ремедиация в почвах и осаждения – довольно трудная задача. Источники антропогенного загрязнения металлами – это выплавка металлов из руды, гальвонопластика, газовые выхлопы, производство энергии и топлива, внесение удобрений и муниципальных илов в землю и промышленное производство.  Загрязнение биосферы тяжелыми металлами резко увеличилось начиная с 1900 г., и во всем мире представляет главную проблему для окружающей среды и здоровья человека. В отличие от  многих органических загрязняющих веществ, большинство металлов и радионуклидов не может быть удалено из внешней среды химической или биологической трансформацией, хотя возможно уменьшить токсичность некоторых металлов, влияя на их формообразование. Они не деградируют и устойчивы в среде. Для очитски загрязненной тяжелыми металлами среды используют различные технологии ремедиации – витрификацию почвы in situ, прокаливание почвы, выемку грунта и закапывание мусора, промывание почвы, смывание почвы, отверждение и стабилизирующие электрокинетические системы. Каждая используемая технология ремедиации имеет определенные выгоды и недостатки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Устойчивость растений к тяжелым металлам

 

Загрязнение среды тяжелыми металлами происходит в результате сжигания топлива, деятельности горнодобывающей промышленности, сбрасывания сточных вод и внесения в почву удобрений. Тяжелые металлы поступают в растение преимущественно через корневую систему из почвы, в меньшей степени – через листья. Скорость поглощения растением металлов зависит от рН почвенного раствора, содержания органических веществ в почве и концентрации других ионов.

Основная часть высших растений повреждается избыточным содержанием тяжелых металлов. Однако многие растения способны накапливать в основном в надземных органах большие количества тяжелых металлов, многократно превышающие их концентрации в почве. Эти растения так и называются  растениями-аккумуляторами, которые в процессе эволюции, произрастая на почвах геохимических аномалий, сформировали конститутивные механизмы устойчивости к тяжелым металлам, что позволяет им аккумулировать токсичные элементы в метаболически инертных органах и органеллах или включать их в хелаты и тем самым переводить в физиологически безопасные формы. Подобные виды растений начинают активно использовать для разработки технологий биологической очистки, загрязненных территорий.

Помимо растений-аккумуляторов существуют растения-индикаторы и  растения-исключатели. У растений-индикаторов содержание металла в клетках соответствует его содержанию в почве. В побегах растений-исключателей поддерживается низкая концентрация металлов, несмотря на высокую концентрацию в окружающей среде. В этом случае барьерную функцию выполняет корень.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Адаптация растений к тяжелым металлам.

 

Растения выработали целый ряд приспособительных механизмов, защищающих клеточный метаболизм от присутствующих в окружающей среде тяжелых металлов. Эти механизмы включают: связывание тяжелых металлов клеточной стенкой и выделяемыми клеткой веществами (эксудатами); снижение поступления в клетку тяжелых металлов и выброс их из цитоплазмы в апопласт; хелатирование в цитоплазме пептидами и белками; репарацию поврежденных белков и компартментацию металлов в вакуоли с помощью переносчиков тонопласта.

Растения, способные к сверхаккумуляции металлов, имеют огромный потенциал для применения в ремедиации металлов в окружающей среде. Этот подход появился как новаторский инструмент с большим потенциалом для достижения устойчивого развития , дезактивации загрязненных металлами воздуха, почвы и воды, а также для иного применения в целях восстановления окружающей среды посредством ризосферной биотехнологии. Таким образом, растения, способные к сверхаккумуляции металлов, не только полезны для фиторемедиации, но играют и также существенную роль в биогеохимической разведке (полезных ископаемых); они оказывают воздействие на здоровье человека через цепи питания и, возможно, ответственны за элементарную аллелопатию (соединение металлов, выделяющиеся через части гипераккумулирующих растений, подавляют рост произрастающих по соседству растений) и резистентность против грибных патогенов. Чтобы иметь реалистичную оценку фиторемедиации, необходимо сфокусировать исследования на регулирующих ее факторах.

Термин «фиторемедиация» фактически относится к разнообразной коллекции технологий, которые используют естественно возникшие или генетически сконструированные растения для очистки загрязненной окружающей среды. Главная мотивация для разработки фиторемедиационных технологий – возможность недорогой ремедиации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изучение биоразнообразия для фиторемедиации металлов в окружающей среде.

 

Изучение биоразнообразия включает несколько возможностей, наиболее важная из которых – сохранить в максимально возможной степени огромное многообразие экосистем планеты. Изучение биоразнообразия приведет к открытию дикорастущих растений, которые могли бы очищать загрязненную окружающую среду по всему миру. Этот вопрос находится на ранней стадии развития, с большими надеждами относительно его коммерческого использования. Желание извлечь выгоду из этой новой идеи должно послужить сильным стимулом к работе над сохранением природы.

В результате антропогенных процессов во всех отделах биосферы, включая воздух, воду и почву, возрастает содержание потенциально токсичных микроэлементов.

Главный фактор, влияющий на эффективность фитоэкстракции, - способность растений абсорбировать большие количества металла за короткий период времени. Гипераккумуляторы накапливают в своих тканях значительные количества металлов независимо от концентрации металла в почве, до тех пор пока там присутствует рассматриваемый металл. Это свойства отличает их от умеренных аккумуляторов, используемых ныне для фитоэкстракции, у которых количество поглощенного металла является отражением его концентрации в почве. Хотя валовое содержание металла в почве может быть высоким, имеется фракция, которая легко доступна в почвенном растворе и определяет эффективность поглощения металлов корнями. Для повышения скорости и количества удаленного металла растениями некоторые исследователи поддерживают использование различных химикатов для увеличения количества металла, доступного для поглощения растениями.

 

Почвенный pH

 

Почвенный pH – ведущий фактор, влияющий на доступность почвенных элементов для поглощения растениями. В кислых условиях ионы H+  катионы металлов в катионообменном комплексе (КОК) почвы и заставляют металлы высвобождаться из полуторных оксидов и переменно заряженной глины, в которых они были химически сорбированы (специфически адсорбированы). Удержание металлов в почвенном органическом вещесте также ослаблялось при низком pH, приводя к большей доступности металла в почвенном растворе для поглощения корнем. Многие катионы металлов, включая Cd, Cu, Hg, Ni, Pb и Zn, более растворимы и доступны в почвенном растворе при низком pH (ниже 5,5). Сделано предположение, что процесс фитоэкстракции усиливается, когда добавлением подкислителей в почву облегчена доступность металлов корням растений.

 

 

Заключение

 

Осуществление фиторемедиации с использованием биоразнообразия имеет некоторые ограничения. В значительной степени они состоят в потенциальном загрязнении растительности и цепей питания и часто в исключительно трудной приживаемости и поддрежании растительности на загрязненных участках. В случае металлических загрязнителей растения имеют потенциал для фитоэкстракции, фильтруя металлы из воды корневыми системами или стабилизируя негодные участки посредством контроля над эрозией и эвапотранспирации больших количеств воды.

Одно из главных преимуществ фитоэкстракции и фиторемедиации – то, что биомасса растения, содержащая извлеченный загрязнитель, может быть ресурсом. Например, биомасса, которая содержит селен (Se), существенный нутриент, перемещается в области, дефицитные по Se, и используется для кормления животных; гипераккумуляторы металлов являются особо значимыми в биогеохимическом поиске минеральных веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Использованные источники:

 

1. Микроэлементы в окружающей среде. Биогеохимия, биотехнология и биоремедиация. Под ред. М.Н.В. Прасада, К.С.Саджвана, Р.Найду
2. McBride M.B Toxic metal accumulation from agricultural use of sludge: are USEPA regulations protective? // J.Environ. Qual.-1995.-V.24.-P.5-18.
3. Smith S.R. Agricultural Recycling of Sewage Sludge and the Environment. – Wallingford: CAB International, 1996.
4. Metzger L., Yaron B. Influence of sludge organic matter on soil physical properties // Adv. Soil Sci. – 1987. – V.7. – P.141-162.
5. Фитоэкстракция тяжелых металлов из искусственно загрязненной темно – каштановой почвы//  автореферат Койгельдинова М.Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Растения – аккумулянты

 

       

 

Факторы, загрязняющие окружающую среду

 

       

 

   Гальванопластика         Внесение удобрений     Выплавка металлов из руды

 

 

Газовые выхлопы                            Производство энергии и топлива

   

             

 

Горнодобывающая промышленность   Сбрасывание сточных вод

 

 

Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам

 

 

 

Различные фитотехнологии, в которых металлоустойчивые растения играют ключевую роль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Важные применяемые технологии фиторемедиации – ризофильтрация, фитостабилизация, фитоволатизация и фитоэкстракция.

 

 

 

Потенциал растений, гипераккумулирующих металлы

 

 

Факторы, ускоряющие  фиторемедиацию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изучение биоразнообразия для фиторемедиации металлов в среде.

 

 

 

 

Успехи и ограничения в использовании металлофитов в фитотехнологиях

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чтобы двигаться в фитотехнологиях, необходимо доступными современными средствами полностью ликвидировать существующие пробелы в науке.