Процесс фитоэкстракции

Фитоэкстракция — это подпроцесс фиторемедиации , в котором растения удаляют опасные элементы или соединения из почвы или воды, чаще всего тяжелые металлы , металлы, которые имеют высокую плотность и могут быть токсичны для организмов даже при относительно низких концентрациях. [1] Тяжелые металлы, которые извлекают растения, также токсичны для растений, а растения, используемые для фитоэкстракции, являются известными гипераккумуляторами , которые изолируют чрезвычайно большие количества тяжелых металлов в своих тканях. Фитоэкстракция также может осуществляться растениями, которые поглощают более низкие уровни загрязняющих веществ, но из-за высокой скорости роста и производства биомассы могут удалять значительное количество загрязняющих веществ из почвы. [2]

Тяжелые металлы и биологические системы

Тяжелые металлы могут представлять серьезную проблему для любого биологического организма, поскольку они могут вступать в реакцию с рядом химических веществ, необходимых для биологических процессов.

Они также могут расщеплять другие молекулы на еще более реактивные виды (такие как активные формы кислорода ), которые также нарушают биологические процессы. Эти реакции истощают концентрацию важных молекул, а также производят опасные реактивные молекулы, такие как радикалы O . и OH . .

Негипераккумуляторы также поглощают некоторую концентрацию тяжелых металлов, поскольку многие тяжелые металлы химически схожи с другими металлами, которые необходимы для жизни растений.

Процесс

Чтобы растение извлекло тяжелый металл из воды или почвы, необходимо пять условий.

  1. Металл должен раствориться в чем-то, что корни растений смогут усвоить.
  2. Корни растений должны поглощать тяжелые металлы.
  3. Растение должно хелатировать металл, чтобы защитить себя и сделать металл более подвижным (это может произойти и до того, как металл будет поглощен). Хелатирование — это процесс, при котором металл окружается и химически связывается с органическим соединением.
  4. Завод перемещает хелатированный металл в место его безопасного хранения.
  5. Наконец, завод должен адаптироваться к любым повреждениям, которые металлы могут вызвать во время транспортировки и хранения.

Растворение

В своем обычном состоянии металлы не могут быть приняты ни одним организмом. Они должны быть растворены в виде иона в растворе, чтобы быть подвижными в организме. [3] Как только металл становится подвижным, он может быть либо напрямую перенесен через клеточную стенку корня определенным переносчиком металла, либо перенесен определенным агентом. Корни растений опосредуют этот процесс, выделяя вещества, которые будут захватывать металл в ризосфере , а затем переносить металл через клеточную стенку. Вот некоторые примеры: фитосидерофоры, органические кислоты или карбоксилаты [4] Если металл хелатирован в этой точке, то растению не нужно хелатировать его позже, и хелатер служит футляром, чтобы скрыть металл от остальной части растения. Это способ для гипераккумулятора защитить себя от токсического воздействия ядовитых металлов.

Корневое поглощение

Первое, что происходит при поглощении металла, — это его связывание со стенкой корневой клетки. [5] Затем металл транспортируется в корень. Затем некоторые растения хранят металл посредством хелатирования или секвестрации. Многие специфические лиганды переходных металлов, способствующие детоксикации и транспортировке металлов, активируются в растениях, когда металлы доступны в ризосфере. [6] На этом этапе металл может быть один или уже секвестрирован хелатирующим агентом или другим соединением. Чтобы попасть в ксилему , металл должен пройти через симплазму корня.

Транспортировка от корня к побегу

Системы, которые транспортируют и хранят тяжелые металлы, являются наиболее критическими системами в гипераккумуляторе, поскольку тяжелые металлы повредят растение до того, как они будут сохранены. Транспорт тяжелых металлов от корня к побегу строго регулируется экспрессией генов. Были идентифицированы гены, которые кодируют системы транспорта металлов в растениях. Эти гены экспрессируются как в гипераккумулирующих, так и в негипераккумулирующих растениях. Существует большое количество доказательств того, что гены, известные как кодирующие системы транспорта тяжелых металлов, постоянно сверхэкспрессируются в гипераккумулирующих растениях, когда они подвергаются воздействию тяжелых металлов. [7] Эти генетические доказательства предполагают, что гипераккумуляторы чрезмерно развивают свои системы транспорта металлов. Это может быть сделано для ускорения процесса от корня к побегу, ограничивая количество времени, в течение которого металл подвергается воздействию систем растений до его хранения. Накопление кадмия было рассмотрено. [8]

Эти транспортеры известны как АТФазы, транспортирующие тяжелые металлы (HMA). [9] Одним из наиболее хорошо документированных HMA является HMA4, который принадлежит к подклассу Zn/Co/Cd/Pb HMA и локализуется в плазматических мембранах паренхимы ксилемы. [7] HMA4 повышается, когда растения подвергаются воздействию высоких уровней Cd и Zn, но снижается у его негипераккумулирующих родственников. [10] Кроме того, когда экспрессия HMA4 повышается, происходит коррелированное увеличение экспрессии генов, принадлежащих к семейству ZIP (Zinc adjustable transporter Iron adjustable transporter Proteins). Это говорит о том, что транспортная система от корня к побегу действует как движущая сила гипераккумуляции, создавая реакцию на дефицит металла в корнях. [11]

Хранилище

Системы, которые транспортируют и хранят тяжелые металлы, являются наиболее критическими системами в гипераккумуляторе, поскольку тяжелые металлы повреждают растение до того, как они будут сохранены. Часто в гипераккумуляторах тяжелые металлы хранятся в листьях.

Чем может быть полезна фитоэкстракция

Для растений

Существует несколько теорий, объясняющих, почему это может быть полезно для растения. Например, гипотеза «элементарной защиты» предполагает, что, возможно, хищники будут избегать употребления в пищу гипераккумуляторов из-за тяжелых металлов. До сих пор ученые не смогли определить корреляцию. [12] В 2002 году кафедра фармакологии в Бангабандху Шейх Муджиб Медицинского университета в Бангладеш провела исследование, в котором для удаления мышьяка из воды использовался водный гиацинт . [13] Это исследование доказало, что вода может быть полностью очищена от мышьяка за несколько часов, и что растение затем может быть использовано в качестве корма для животных, дров и для многих других практических целей. Поскольку водный гиацинт является инвазивным, его выращивание недорогое и чрезвычайно практичное для этой цели.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Гиперглоссарий MSDS: Тяжелый металл". www.ilpi.com . Архивировано из оригинала 2011-09-23 . Получено 2011-10-30 .
  2. ^ Guidi Nissim W., Palm E., Mancuso S., Azzarello E. (2018) «Фитоэкстракция микроэлементов из загрязненной почвы: исследование случая в условиях средиземноморского климата». Наука об окружающей среде и исследования загрязнения https://doi.org/10.1007/s11356-018-1197-x Архивировано 06.10.2021 на Wayback Machine
  3. ^ Мисра В., Тивари А., Шукла Б. и Сет Ч.С. (2009) Влияние почвенных добавок на биодоступность тяжелых металлов из хвостов цинковых рудников. Оценка мониторинга окружающей среды 155, 467–475.
  4. ^ Хань Ф., Шань XQ, Чжан СЗ, Вэнь Б. и Оуэнс Г. (2006) Повышенное накопление кадмия в корнях кукурузы – влияние органических кислот. Растения и почва 289, 355–368.
  5. ^ Клеменс С., Палмгрен М.Г. и Крамер У. (2002) Долгий путь вперед: понимание и проектирование накопления металлов в растениях. Тенденции в науке о растениях 7, 309–315.
  6. ^ Seth, CS, et al. «Фитоэкстракция токсичных металлов: центральная роль глутатиона». Plant, Cell and Environment (2011) SCOPUS. Web. 16 октября 2011 г.
  7. ^ ab Rascio, N., и F. Navari-Izzo. «Растения, гипераккумулирующие тяжелые металлы: как и почему они это делают? и что делает их такими интересными?» Plant Science 180.2 (2011): 169-81. SCOPUS. Web. 16 октября 2011 г.
  8. ^ Кюппер, Хендрик; Лейтенмайер, Барбара (2013). "Глава 12. Растения, накапливающие кадмий". В Astrid Sigel, Helmut Sigel и Roland KO Sigel (ред.). Кадмий: от токсикологии к эссенциальности . Ионы металлов в науках о жизни. Том 11. Springer. стр. 373–413. doi :10.1007/978-94-007-5179-8_12. ISBN 978-94-007-5178-1. PMID  23430779.
  9. ^ KB Axelsen и MG Palmgren, Инвентаризация суперсемейства ионных насосов P-типа у Arabidopsis. Plant Physiol., 126 (1998), стр. 696–706.
  10. ^ А. Папоян и Л. В. Кочиан, Идентификация генов Thlaspi caerulescens, которые могут быть вовлечены в гипераккумуляцию и толерантность тяжелых металлов. Характеристика новой АТФазы, транспортирующей тяжелые металлы. Физиология растений, 136 (2004), стр. 3814–3823.
  11. ^ М. Ханикенне и др. Эволюция гипераккумуляции металлов потребовала цис-регуляторных изменений и трипликации HMA4. Nature, 453 (2008), стр. 391–395
  12. ^ Rascio, N. и F. Navari-Izzo. «Растения, гипераккумулирующие тяжелые металлы: как и почему они это делают? и что делает их такими интересными?» Plant Science 180.2 (2011): 169-81. SCOPUS. Web. 16 октября 2011 г.
  13. ^ Мисбахуддин, М. и А. Фаридуддин. «Водяной гиацинт удаляет мышьяк из питьевой воды, загрязненной мышьяком». Архивы охраны окружающей среды 57.6 (2002): 516-8. SCOPUS. Веб. 26 сентября 2011 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Процесс_фитоэкстракции&oldid=1227795690"