Естественная фитоэкстракция

Дикие виды растений. Эта технология основана на извлечении тяжелых металлов из почвы с помощью растений-гипераккумуляторов. Содержание в таких растениях никеля, цинка, меди часто достигает 1-5% от сухой массы. Фиалка (Viola calaminaria) и ярутка (Thlaspi caеrulеscеns) — типичные представители таких растений. В биомассе растений этих видов содержание цинка достигает соответственно 1 и 1,7% от сухой массы. Обычно уровень цинка колеблется в диапазоне 0,001-0,02%. Селен аккумулируют (примерно 0,6%) растения рода Astragalus, а никель (примерно 1% от сухой массы) — Alyssum bertolonii.
Эффективность использования растений-сверхнакопителей определяется скоростью накопления металлов в биомассе в расчете на один год. Накопление микроэлементов растениями ограничивают следующие факторы: доступность микроэлемента-загрязнителя в почве, скорость его поглощения корнями, степень устойчивости растений к избытку микроэлемента, транспорт микроэлемента из корней в побег. Практическое значение имеют годовые масштабы удаления металлов с помощью растений, исчисляемые сотнями или тысячами килограммов с гектара. Однако даже при таких масштабах очистка почв с помощью растений-сверхнакопителей занимает 15-20 лет. Эти сроки слишком велики, чтобы рассматривать такие технологии в качестве практически пригодных. По некоторым расчетам, может понадобиться 28 лет, чтобы очистить с помощью Т. caerulescens почву, загрязненную цинком на уровне 2,1 г/кг.
Многие загрязненные селеном почвы не пригодны для выращивания культурных растений. В связи с этим разработано несколько стратегий их очистки и использования:
1) выращивание толерантных видов/сортов растений, не способных к накоплению селена в большом количестве;
2) использование сульфатов для ограничения поглощения селена растениями;
3) превращение почвенных форм селена в формы, не доступные для растений.
Последняя стратегия включает использование микроорганизмов для превращения
селена в летучую или элементарную формы и наиболее эффективна для снижения концентрации селена в частях растений, употребляемых в пищу. Обогащенные селеном растения целесообразнее всего не сжигать, а использовать в качестве «зеленых» удобрений для внесения в недостаточно обеспеченные селеном почвы.
В настоящее время выявлены виды p. Brаssicа (В. juncсa. В. napus), перспективные для фиторемедиации загрязненных селеном почв. Представители этиx видов не только устойчивы к высоким концентрациям селена, но и способны аккумулировать и эффективно превращать его в летучие формы. В условиях гидропоники скорость улетучивания селена из растений может превышать 2,5 мг/кг фитомассы в сутки.
Растения Sianleya pinnata (Pursh.) также можно использовать в целях фиторемедиации селена. Этот вид многолетних растений сем. Brassicaceae, широко распространенный в западной части США, — гипераккумулятор селена. Экотипы растений этого вида характеризуются вариабельностью в аккумуляции селена. Все изученные популяции S. pinnata предпочитают поглощать SeO4в2-, а не SO4в2-, при этом селен в побегах сосредоточен главным образом в пуле растворимых аминокислот — предшественников летучих форм селена (диметилдиселенида). Возможно, поэтому представители указанного вида характеризуются необычайно высокой способностью испарять селен: от 21 до 45% от его общего содержания в листьях, что может повысить эффективность фиторсмедиации. Растения S. pinnata обладают превосходной устойчивостью к избытку в почве бора и умеренной устойчивостью к засолению. Представители р. Astragalus (гипераккумуляторы селена) отличаются медленным ростом, что ограничивает перспективы их использования для фиторемедиации в широком диапазоне почвенно-климатических условий.
Малая биомасса растений-гипераккумуляторов — главный недостаток метода фитоэкстракции. Рослые растения чувствительны к тяжелым металлам и не способны накапливать их в большом количестве. Перспективными быстрорастущими видами-сверхаккумуляторами никеля являются Allisum berioionii и Berkheya coddii, формирующие массивные побеги, соответственно 9 и 22 т сухой массы/га. Относительно высоким потенциалом экстракции цинка и кобальта характеризуются растения Brassica napus. Однако быстрорастущих видов растений, аккумулирующих цинк, медь, свинец, кадмий, хром, пока не обнаружено.
В прямой зависимости от величины биомассы находится накопление металлов обычной растительностью. В степной растительности Забайкалья (Россия), продуктивность которой в восемь раз ниже луговой и культурной, накопление железа составляло в среднем 129 г/га. В луговой злаковой растительности значение этого показателя составило 481 г/га, в луговой разнотравной — 827. осоковой — 515, культурной злаковой — 329 г/га. He случайно, агрохимические мероприятия (применение макро- и микроудобрений), стимулирующие рост растений одновременно усиливают фитоэкстракцию многих тяжелых металлов: кадмия, свинца, меди, цинка.
Ацидофикация ризосферы и выделение корневых экссудатов — механизмы, с помощью которых растения модифицируют почву для улучшения поглощения питательных элементов. Однако значения pH ризосферы гипераккумулятора Thlaspi caerulescens могут даже возрастать. Предполагают, что корневые экссудаты растений этого вида не играют существенной роли в мобилизации металлов. В вегетационных опытах установлено, что наиболее интенсивное накопление в побегах Т. caerulescens цинка происходило преимущественно за счет поглощения его наиболее растворимых форм. Очевидно, корни растений из группы сверхнакопителей обладают слабым растворяющим по отношению к соединениям цинка действием. Поэтому эффективность использования Т. caerulescens в целях фиторемелиации во многом зависит от свойств очищаемых почв, влияющих на мобильность тяжелых металлов.
Прогресс в развитии фитоэкстракции связан с методами генетической модификации растений или поиском новых интенсивно растущих видов растений-гипераккумуляторов. Проблему медленного роста растений преодолевают, отбирая или создавая формы растений, свойства которых способствуют сверх накоплению металлов в побегах. В целях фиторемедиации вместо растений-гипераккумуляторов применяют также культурные растения обычных видов: кукурузу, табак, индийскую горчицу, овес, ячмень, горох, подсолнечник и др. Перспективным для фиторемедиации считают факультативный галофит хрустальную травку (Mesembryanthemum crystallinum L.). Растения этого вида способны к значительной аккумуляции тяжелых металлов и их выносу с биомассой в расчете на одно растение: до 50 мкг меди и 560 мкг цинка.
Генетически модифицированные растения. Выделяют следующие направления генной инженерии растений для целей фиторемедиации: обеспечение высокого уровня экспрессии генов, контролирующих транспорт избыточного количества тяжелых металлов в растении, трансформация в обычные растения чужеродных генов, вовлеченных в сверхаккумуляцию металлов.
Генетическая модификация растений табака, направленная на повышение в них содержания белка NICDP4 — катионного канала s плазматической мембране, увеличивала в два раза транспорт свинца в побег, чувствительность растений к свинцу и устойчивость к никелю. С помощью регуляции переносчиков семейства генов ZIP у Т. caerulescens и анализа мутантов Arabidopsis, различавшихся по ответу на воздействие металлов, обнаружены новые гены, отвечающие за устойчивость растений к тяжелым металлам, и сформулированы перспективные направления создания растений со свойствами сверхнакопителей металлов.
Отметим, что решение проблемы сверхнакопления неразрывно связано с повышением устойчивости растений к высоким концентрациям загрязняющих элементов. В растениях-сверхнакопителях детоксикация металлов достигается различными путями: хелатированием металлов, их внутриклеточной компартментацией в вакуолях, концентрированием в апопласте, а также эпидермисе или трихомах листьев. Методы генной модификации растений направлены на усиление в трансгенных растениях продуцирования хелатирующих или иных связывающих токсичные элементы веществ, выведения элементов из цитоплазмы в вакуоль, а также химической трансформации токсичных соединений — перевода в летучую форму.
Кроме того, методы модификации растений включают индукцию сверхэкспрессии генов, кодирующих синтез тех ферментов, которые участвуют в образовании S-содержащих органических лигандов: глутатиона, гистидина, фитохелатинов и других представителей металлотионеинов. Внедрение в растения Nicoliana sp., Brassica sp., A. thaliana чужеродных генов MT (мышей, человека, дрожжей, гороха), кодирующих синтез металлотионеинов, увеличивало устойчивость трансгенных растений к кадмию, однако скорость поглощения растениями металлов существенно не менялась. Генетическая модификация синтеза ферментов, вовлеченных в образование глутатиона и фитохелатинов, может повышать устойчивость растений к тяжелым металлам и их аккумуляцию в растениях. Tpaнсгенные растения индийской горчицы, характеризовавшиеся сверхэкспрессией генов, ответственных за синтез фитохелатинсинтазы и глутатионсинтазы, аккумулировали в 1,5-2 раза больше кадмия и цинка по сравнению с особями дикого вида. Кроме того, растения с высоким уровнем фитохелатинсинтазы отличала более высокая аккумуляция меди, хрома и свинца.
Введение в растения Arabidopsis thaliana микробных генов, кодирующих синтез АТФ-фосфорибозилтрансфсразы (катализирует первую стадию синтеза гистидина), приводило к увеличению по сравнению с представителями дикого вида концентрации гистидина в трансгенных растениях и их устойчивости к избытку никеля. Вместе с тем дикие и трансгенные растения не отличались по накоплению в листьях никеля. Трансгенные растения Brasfica juncta с высоким уровнем экспрессии генов, кодирующих АТФ-сульфурилазу, характеризовались по сравнению с диким видом повышенной интенсивностью накопления селена и устойчивостью к селену и другим элементам: кадмию, цинку, меди, ртути, мышьяку. Трансформация в растения Arabidopsis гена Е. coli Znt А, кодирующего синтез транспортеров Pb2+, Cd2+ и Zn2+, сопровождалась повышением устойчивости трансгенных растений к свинцу и кадмию.
Растения A. thaliana с внедренными бактериальными генами, колирующими синтез органомеркуриаллиазы. которая катализирует образование Hg (II) из органических соединений ртути, и Нg2+-редуктазы. восстанавливающей Hg (II) до газообразной формы Hg(0), были в SO раз устойчивее к избытку ртути по сравнению с представителями дикого вида. Положительный эффект достигался вследствие превращения высокотоксичных органических соединений ртути в менее токсичный ион Hg2+ и улетучивания элементарной ртути из растений.
Введение в растения A. thaliana генов Saccltaromyces cerevisiae, кодирующих синтез вакуолярных транспортеров металлов, сопровождалось повышением устойчивости трансгенных растений к избытку свинца и кадмия и увеличением более чем в два раза накопления этих металлов в побеге. Перенос генов САХ2 (кодируют синтез вакуолярного Ca2+/H+-антипортера) из растений Arabidopsis в растения табака Nicotiana tabaсum приводило к изменению содержания Ca2+, Cd2+ и Mn2+ в транс генных растений и повышению устойчивости последних к избытку Mn2+.
Методы генной инженерии по созданию перспективных для фиторемедиации селена растений включают: сверхэкспрессию генов, ответственных за синтез АТФ-сульфурилазы, γ-глутамилцистеинсинтетазы, глутатионсинтетазы, селеноцистеинметилтрансферазы, а также сверхэкспрессию генов, ответственных за синтез связывающего селен белка (AtSBP1).
Симбиотические системы. Повышение эффективности фитоэкстракции может достигаться с помощью формирования и генетической модификации симбиотических систем. Малоперспективно исключительное использование в биоремедиации микроорганизмов, так как после их естественного разложения поглощенные ими металлы осаждаются в почве. Тяжелые металлы могут накапливаться в клубеньках, что позволяет обезвреживать почву, изымая накопившееся в клубеньках металлы вместе с бобовыми растениями. Небезуспешны попытки генетической модификации бактероидов в направлении повышения скорости поглощения ими тяжелых металлов.
Применение микоризных грибов — другая стратегия создания в целях фиторемедиации симбиотических систем. Она базируется на увеличении с помощью грибов площади комбинированной поверхности корней у растения-хозяина и, как следствие, интенсивности поглощения им различных элементов. В корнях сосны, зараженных грибами Paxillus, токсические эффекты кадмия не были обнаружены. Возможно, в детоксикации этого тяжелого металла участвовали вторичные метаболиты (фенолы), образование которых в корнях растения-хозяина индуцировали грибы Paxillus, формирующие эктомикоризы. Грибной чехол, окружающий корни, может служить механической защитой от повреждающего действия тяжелых металлов.