Fytoremediatie: de bodem reinigen met bloemen

David Trood / Getty Images

Volgens de International Phytotechnology Society website wordt fytotechnologie gedefinieerd als de wetenschap van het gebruik van planten om milieuproblemen op te lossen, zoals vervuiling, herbebossing, biobrandstoffen en storten. Fytoremediatie, een subcategorie van fytotechnologie, maakt gebruik van planten om verontreinigende stoffen uit de bodem of uit water te absorberen.

De betrokken verontreinigende stoffen kunnen zijn: zware metalen , gedefinieerd als alle elementen die als metaal worden beschouwd en die vervuiling of een milieuprobleem kunnen veroorzaken en die niet verder kunnen worden afgebroken. Een hoge ophoping van zware metalen in een bodem of water kan als giftig voor planten of dieren worden beschouwd.

Waarom fytoremediatie gebruiken?

Andere methoden die worden gebruikt om met zware metalen verontreinigde bodems te saneren, kunnen $ 1 miljoen US per acre kosten, terwijl fytoremediatie naar schatting tussen 45 cent en $ 1,69 US per vierkante voet kostte, waardoor de kosten per acre tot tienduizenden dollars werden verlaagd.

Hoe werkt fytoremediatie?

Niet elke plantensoort kan worden gebruikt voor fytoremediatie. Een plant die meer metalen kan opnemen dan normale planten wordt een hyperaccumulator genoemd. Hyperaccumulatoren kunnen meer zware metalen opnemen dan aanwezig is in de grond waarin ze groeien.

Alle planten hebben in kleine hoeveelheden wat zware metalen nodig; ijzer, koper en mangaan zijn slechts enkele van de zware metalen die essentieel zijn voor het functioneren van planten. Er zijn ook planten die een grote hoeveelheid metalen in hun systeem kunnen verdragen, zelfs meer dan ze nodig hebben voor normale groei, in plaats van toxiciteitssymptomen te vertonen. Bijvoorbeeld een soort van Thlaspi heeft een eiwit dat een 'metaaltolerantie-eiwit' wordt genoemd. Zink wordt zwaar opgenomen door Thlaspi door de activering van een systemische reactie op een zinktekort. Met andere woorden, het metaaltolerantie-eiwit vertelt de plant dat hij meer zink nodig heeft omdat hij 'meer nodig heeft', zelfs als dat niet zo is, dus hij neemt meer op!

Gespecialiseerde metaaltransporters in een plant kan ook helpen bij de opname van zware metalen. De transporters, die specifiek zijn voor het zware metaal waaraan het bindt, zijn eiwitten die helpen bij het transport, de ontgifting en de opslag van zware metalen in planten.

Microben in de rhizosfeer klampen zich vast aan het oppervlak van plantenwortels, en sommige herstellende microben zijn in staat om organische materialen zoals aardolie en zware metalen op en uit de grond halen. Dit komt zowel de microben als de plant ten goede, omdat het proces een sjabloon en een voedselbron kan bieden voor microben die organische verontreinigende stoffen kunnen afbreken. De planten geven vervolgens wortelexudaten, enzymen en organische koolstof af, zodat de microben zich kunnen voeden.

Geschiedenis van fytoremediatie

De 'peetvader' van fytoremediatie en de studie van hyperaccumulatorplanten zou dat wel eens kunnen zijn R.R. Brooks van Nieuw-Zeeland. Een van de eerste artikelen over een ongewoon hoog niveau van opname van zware metalen in planten in een vervuild ecosysteem werd geschreven door Reeves en Brooks in 1983. Ze ontdekten dat de concentratie van lood in Thlaspi gelegen in een mijngebied was gemakkelijk de hoogste ooit geregistreerd voor een bloeiende plant.

Het werk van professor Brooks aan de hyperaccumulatie van zware metalen door planten leidde tot vragen over hoe deze kennis kon worden gebruikt om vervuilde bodems te reinigen. Het eerste artikel over fytoremediatie is geschreven door wetenschappers van de Rutgers University over het gebruik van speciaal geselecteerde en geconstrueerde metaalaccumulerende planten die worden gebruikt om vervuilde bodems te reinigen. In 1993, een Amerikaans octrooi: werd ingediend door een bedrijf genaamd Phytotech. Het patent, getiteld 'Fytoremediatie van metalen', onthulde een methode om metaalionen uit de bodem te verwijderen met behulp van planten. Verschillende soorten planten, waaronder radijs en mosterd, werden genetisch gemanipuleerd om een ​​eiwit genaamd metallothioneïne tot expressie te brengen. Het plantaardige eiwit bindt zware metalen en verwijdert deze zodat er geen planttoxiciteit optreedt. Dankzij deze technologie kunnen genetisch gemanipuleerde planten, waaronder: Arabidopsis , tabak, koolzaad en rijst zijn aangepast om met kwik verontreinigde gebieden te saneren.

Externe factoren die van invloed zijn op fytoremediatie

De belangrijkste factor die het vermogen van een plant om zware metalen te hyperaccumuleren beïnvloedt, is leeftijd. Jonge wortels groeien sneller en nemen voedingsstoffen sneller op dan oudere wortels, en leeftijd kan ook van invloed zijn op hoe de chemische verontreiniging door de plant beweegt. Uiteraard hebben de microbiële populaties in het wortelgebied invloed op de opname van metalen. Transpiratiesnelheden, als gevolg van blootstelling aan zon/schaduw en seizoensveranderingen, kunnen ook de opname van zware metalen door planten beïnvloeden.

Plantensoorten gebruikt voor fytoremediatie

Meer dan 500 plantensoorten naar verluidt hyperaccumulatie-eigenschappen hebben. Natuurlijke hyperaccumulatoren omvatten: intermediaire iberis en Thlaspi spp. Verschillende planten accumuleren verschillende metalen; bijvoorbeeld, Brassica juncea accumuleert koper, selenium en nikkel, terwijl Arabidopsis staten accumuleert cadmium en Lemna staat bovenaan accumuleert arseen. Planten gebruikt in aangelegde wetlands omvatten zegge, biezen, riet en lisdodde omdat ze overstromingsbestendig zijn en verontreinigende stoffen kunnen opnemen. Genetisch gemanipuleerde planten, waaronder: Arabidopsis , tabak, koolzaad en rijst, zijn aangepast om met kwik verontreinigde gebieden te saneren.

Hoe worden planten getest op hun hyperaccumulerende vermogens? Plantenweefselculturen worden vaak gebruikt in fytoremediatie-onderzoek, vanwege hun vermogen om de plantreactie te voorspellen en om tijd en geld te besparen.

Verhandelbaarheid van fytoremediatie

Fytoremediatie is in theorie populair vanwege de lage oprichtingskosten en relatieve eenvoud. In de jaren '90 waren er verschillende bedrijven die met fytoremediatie werkten, waaronder Phytotech, PhytoWorks en Earthcare. Andere grote bedrijven zoals Chevron en DuPont waren ook bezig met het ontwikkelen van fytoremediatietechnologieën. De bedrijven hebben de laatste tijd echter weinig werk verricht en verschillende kleinere bedrijven zijn failliet gegaan. Problemen met de technologie zijn onder meer het feit dat plantenwortels niet ver genoeg in de bodem kunnen reiken om bepaalde verontreinigende stoffen op te hopen, en de verwijdering van de planten nadat hyperaccumulatie heeft plaatsgevonden. De planten kunnen niet worden teruggeploegd in de grond, worden geconsumeerd door mens of dier, of op een stortplaats worden gestort. Dr. Brooks leidde baanbrekend werk op het gebied van de winning van metalen uit hyperaccumulatorfabrieken. Dit proces wordt fytomining genoemd en omvat het smelten van metalen uit de planten.