Процесс фитоэкстракции

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

Тяжелые металлы и биологические системы

Тяжелые металлы могут быть серьезной проблемой 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 активные формы (например, активные формы кислорода ), которые также нарушают биологические процессы. Эти реакции истощают концентрацию важных молекул, а также производят опасно реакционноспособные молекулы, такие как радикалы O. ^. и ох ^..

Негипераккумуляторы также поглощают некоторую концентрацию тяжелых металлов, поскольку многие тяжелые металлы по химическому составу схожи с другими металлами, необходимыми для жизни растений.

Процесс

Чтобы растение могло извлечь тяжелый металл из воды или почвы, должны произойти пять вещей.

Металл должен растворяться в чем-то, что могут впитать корни растений.
Корни растений должны поглощать тяжелые металлы.
Растение должно хелатировать металл, чтобы защитить себя и сделать металл более подвижным (это также может произойти до того, как металл впитается). Хелатирование — это процесс, при котором металл окружается органическим соединением и химически связывается с ним.
Завод перемещает хелатный металл в место для его безопасного хранения.
Наконец, завод должен адаптироваться к любому ущербу, который металлы могут причинить во время транспортировки и хранения.

Растворение

В обычном состоянии металлы не могут попасть ни в один организм. Чтобы быть подвижными в организме, они должны растворяться в виде ионов в растворе. ^{[ 3 ]} Когда металл становится подвижным, он может либо напрямую транспортироваться через стенку корневой клетки с помощью специального переносчика металла, либо переноситься с помощью определенного агента. Корни растений опосредуют этот процесс, выделяя вещества, которые захватывают металл в ризосфере , а затем транспортируют его через клеточную стенку. Некоторые примеры: фитосидерофоры, органические кислоты или карбоксилаты. ^{[ 4 ]} Если на этом этапе металл хелатируется, то растению не нужно хелатировать его позже, и хелат служит укрытием для сокрытия металла от остальной части растения. Это способ гипераккумулятора защититься от токсического воздействия ядовитых металлов.

Корневое поглощение

Первое, что происходит при абсорбции металла, — это его связывание со стенкой клеток корня. ^{[ 5 ]} Затем металл транспортируется в корень. Некоторые растения затем сохраняют металл посредством хелатирования или секвестрации. Многие специфические лиганды переходных металлов, способствующие детоксикации и транспорту металлов, активируются в растениях, когда металлы доступны в ризосфере. ^{[ 6 ]} На этом этапе металл может быть один или уже изолирован хелатирующим агентом или другим соединением. Чтобы попасть в ксилему , металл должен пройти через симплазму корня.

Транспорт от корня к выстрелу

Системы, которые транспортируют и хранят тяжелые металлы, являются наиболее важными системами в гипераккумуляторе, поскольку тяжелые металлы повредят растение еще до того, как они будут помещены на хранение. Транспорт тяжелых металлов от корня к побегу строго регулируется экспрессией генов. Идентифицированы гены, кодирующие системы транспорта металлов у растений. Эти гены экспрессируются как в растениях с гипераккумуляцией, так и в растениях без гипераккумуляции. Существует большое количество доказательств того, что гены, кодирующие транспортные системы тяжелых металлов, постоянно сверхэкспрессируются в растениях с их гипераккумуляцией, когда они подвергаются воздействию тяжелых металлов. ^{[ 7 ]} Эти генетические данные свидетельствуют о том, что гипераккумуляторы чрезмерно развивают свои системы транспортировки металлов. Это может быть сделано для ускорения процесса от корня до побега, ограничивая время воздействия металла на системы завода перед его хранением. Рассмотрено накопление кадмия. ^{[ 8 ]}

Эти транспортеры известны как АТФазы, транспортирующие тяжелые металлы (HMA). ^{[ 9 ]} Одним из наиболее хорошо изученных HMA является HMA4, который принадлежит к подклассу HMA Zn/Co/Cd/Pb и локализуется в плазматических мембранах паренхимы ксилемы. ^{[ 7 ]} Уровень HMA4 повышается, когда растения подвергаются воздействию высоких уровней Cd и Zn, но снижается у его родственников, не обладающих гипераккумуляцией. ^{[ 10 ]} Кроме того, когда экспрессия HMA4 увеличивается, происходит коррелированное увеличение экспрессии генов, принадлежащих к семейству ZIP (белки-транспортеры, регулируемые цинком и железом). Это говорит о том, что транспортная система от корня к побегу действует как движущая сила гипернакопления, вызывая в корнях реакцию дефицита металлов. ^{[ 11 ]}

Хранилище

Системы, которые транспортируют и хранят тяжелые металлы, являются наиболее важными системами в гипераккумуляторе, поскольку тяжелые металлы повреждают растение еще до того, как они будут помещены в хранилище. Часто в гипераккумуляторах тяжелые металлы сохраняются в листьях.

Чем может быть полезна фитоэкстракция

Для растений

Существует несколько теорий, объясняющих, почему растению будет полезно это сделать. Например, гипотеза «элементарной защиты» предполагает, что, возможно, хищники будут избегать употребления в пищу гипераккумуляторов из-за тяжелых металлов. Пока ученым не удалось определить корреляцию. ^{[ 12 ]} В 2002 году факультет фармакологии Медицинского университета Бангабандху Шейха Муджиба в Бангладеш провел исследование, в котором водный гиацинт использовался для удаления мышьяка из воды. ^{[ 13 ]} Это исследование доказало, что воду можно полностью очистить от мышьяка за несколько часов, а затем растение можно использовать в качестве корма для животных, дров и для многих других практических целей. Поскольку водный гиацинт агрессивен, его выращивание недорого и чрезвычайно практично для этой цели.

См. также

Биомайнинг

Ссылки

^ «Гиперглоссарий MSDS: Хэви-метал» . www.ilpi.com . Архивировано из оригинала 23 сентября 2011 г. Проверено 30 октября 2011 г.
^ Гуиди Ниссим В., Палм Э., Манкузо С., Аззарелло Э. (2018) «Фитоэкстракция микроэлементов из загрязненной почвы: тематическое исследование в условиях средиземноморского климата». Наука об окружающей среде и исследования загрязнения https://doi.org/10.1007/s11356-018-1197-x. Архивировано 6 октября 2021 г. в Wayback Machine.
^ Мисра В., Тивари А., Шукла Б. и Сет К.С. (2009) Влияние изменений в почве на биодоступность тяжелых металлов из хвостов цинковых рудников. Оценка экологического мониторинга 155, 467–475.
^ Хан Ф., Шан XQ, Чжан С.З., Вэнь Б. и Оуэнс Г. (2006) Повышенное накопление кадмия в корнях кукурузы – воздействие органических кислот. Растение и почва 289, 355–368.
^ Клеменс С., Палмгрен М.Г. и Кремер У. (2002) Долгий путь вперед: понимание и проектирование накопления металла на заводе. Тенденции в растениеводстве 7, 309–315.
^ Сет, CS и др. «Фитоэкстракция токсичных металлов: центральная роль глутатиона». Растение, клетка и окружающая среда (2011)SCOPUS. Веб. 16 октября 2011 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Раскио Н. и Ф. Навари-Иццо. «Растения, накапливающие сверхтяжелые металлы: как и почему они это делают? И что делает их такими интересными?» Растениеводство 180.2 (2011): 169-81. СКОПУС. Веб. 16 октября 2011 г.
^ Куппер, Хендрик; Лейтенмайер, Барбара (2013). «Глава 12. Кадмий-накопители». В Астрид Сигель, Хельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель (ред.). Кадмий: от токсикологии к эссенциальности . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 11. Спрингер. стр. 373–413. дои : 10.1007/978-94-007-5179-8_12 . ISBN 978-94-007-5178-1 . ПМИД 23430779 .
^ КБ Аксельсен и М.Г. Палмгрен, Опись суперсемейства ионных насосов P-типа у Arabidopsis. Физиология растений, 126 (1998), стр. 696–706.
^ А. Папоян и Л. В. Кочиан, Идентификация генов Thlaspi caerulescens, которые могут участвовать в гипернакоплении и толерантности тяжелых металлов. Характеристика новой АТФазы, переносящей тяжелые металлы. Физиология растений, 136 (2004), стр. 3814–3823.
^ М. Ханикенн и др. Эволюция гипернакопления металлов потребовала цис-регуляторных изменений и утроения HMA4. Природа, 453 (2008), стр. 391–395.
^ Расио, Н. и Ф. Навари-Иццо. «Установки, накапливающие сверхтяжелые металлы: как и почему они это делают? И что делает их такими интересными?» Растениеводство 180.2 (2011): 169-81. СКОПУС. Веб. 16 октября 2011 г.
^ Мисбахуддин, М. и А. Фаридуддин. «Водный гиацинт удаляет мышьяк из питьевой воды, загрязненной мышьяком». Архивы гигиены окружающей среды 57.6 (2002): 516-8. СКОПУС. Веб. 26 сентября 2011 г.

[1] «Гиперглоссарий MSDS: Хэви-метал» . www.ilpi.com . Архивировано из оригинала 23 сентября 2011 г. Проверено 30 октября 2011 г.

[2] Гуиди Ниссим В., Палм Э., Манкузо С., Аззарелло Э. (2018) «Фитоэкстракция микроэлементов из загрязненной почвы: тематическое исследование в условиях средиземноморского климата». Наука об окружающей среде и исследования загрязнения https://doi.org/10.1007/s11356-018-1197-x. Архивировано 6 октября 2021 г. в Wayback Machine.

[3] Мисра В., Тивари А., Шукла Б. и Сет К.С. (2009) Влияние изменений в почве на биодоступность тяжелых металлов из хвостов цинковых рудников. Оценка экологического мониторинга 155, 467–475.

[4] Хан Ф., Шан XQ, Чжан С.З., Вэнь Б. и Оуэнс Г. (2006) Повышенное накопление кадмия в корнях кукурузы – воздействие органических кислот. Растение и почва 289, 355–368.

[5] Клеменс С., Палмгрен М.Г. и Кремер У. (2002) Долгий путь вперед: понимание и проектирование накопления металла на заводе. Тенденции в растениеводстве 7, 309–315.

[6] Сет, CS и др. «Фитоэкстракция токсичных металлов: центральная роль глутатиона». Растение, клетка и окружающая среда (2011)SCOPUS. Веб. 16 октября 2011 г.

[auto-7] Перейти обратно: ^а ^б Раскио Н. и Ф. Навари-Иццо. «Растения, накапливающие сверхтяжелые металлы: как и почему они это делают? И что делает их такими интересными?» Растениеводство 180.2 (2011): 169-81. СКОПУС. Веб. 16 октября 2011 г.

[8] Куппер, Хендрик; Лейтенмайер, Барбара (2013). «Глава 12. Кадмий-накопители». В Астрид Сигель, Хельмут Сигель и Роланд К.О. Сигель (ред.). Кадмий: от токсикологии к эссенциальности . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 11. Спрингер. стр. 373–413. дои : 10.1007/978-94-007-5179-8_12 . ISBN 978-94-007-5178-1 . ПМИД 23430779 .

[9] КБ Аксельсен и М.Г. Палмгрен, Опись суперсемейства ионных насосов P-типа у Arabidopsis. Физиология растений, 126 (1998), стр. 696–706.

[10] А. Папоян и Л. В. Кочиан, Идентификация генов Thlaspi caerulescens, которые могут участвовать в гипернакоплении и толерантности тяжелых металлов. Характеристика новой АТФазы, переносящей тяжелые металлы. Физиология растений, 136 (2004), стр. 3814–3823.

[11] М. Ханикенн и др. Эволюция гипернакопления металлов потребовала цис-регуляторных изменений и утроения HMA4. Природа, 453 (2008), стр. 391–395.

[12] Расио, Н. и Ф. Навари-Иццо. «Установки, накапливающие сверхтяжелые металлы: как и почему они это делают? И что делает их такими интересными?» Растениеводство 180.2 (2011): 169-81. СКОПУС. Веб. 16 октября 2011 г.

[13] Мисбахуддин, М. и А. Фаридуддин. «Водный гиацинт удаляет мышьяк из питьевой воды, загрязненной мышьяком». Архивы гигиены окружающей среды 57.6 (2002): 516-8. СКОПУС. Веб. 26 сентября 2011 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]