Fytostabilizace – když rostliny hasí naše průšvihy

Celosvětově je těžařský průmysl zdrojem obrovského množství toxického odpadu, který mimo jiné obsahuje i těžké kovy. Ty se vyplavují např. vlivem tzv. „kyselé důlní drenáže“ z vytěženého materiálu a zamořují rozsáhlé oblasti v okolí dolů. V postižených oblastech se výrazně snižuje biodiverzita vegetace a živočichů. Zvyšuje se úmrtnost a riziko nemocí jak vegetace, tak i živočichů a lidí.

EPA (Environmental Protection Agency) monitoruje a každoročně zveřejňuje zprávy o znečištění, které lidstvo produkuje. Těžařský průmysl je největším zdrojem toxických odpadů, připadá na něj jen ve Spojených Státech cca 1,5 milionu tun toxického odpadu, což představuje 47% všech toxických odpadů v USA. Jelikož je stále větší poptávka po kovech, těžařským společnostem se vyplatí těžit rudy i s obsahem menším než 0,01%. To znamená, že na každou tunu kovu se vyprodukuje 10 000 tun odpadu.

Tradiční metody, které tento odpad čistí, zahrnují praní půdy, tepelné zpracování, zakonzervování nebo skladování ve vytěžených dolech. Tyto technologie však mají mnoho nedostatků. Pokud pomineme, že zakonzervováním a uložením toxického odpadu se nic neřeší, pak hlavní nevýhodou tepelného čištění a praní půdy je fakt, že půda po takové úpravě se už nedá znovu použít na pěstování plodin. Navíc tyto technologie jsou velmi nákladné. Např. v roce 2000 byla v USA provedena inventarizace 156 těžebních oblastí, jejichž čištění by stát přišlo na 7-24 miliard dolarů.

Jednou z možných cest, jak těžké kovy a další toxické látky mnohem levněji z prostředí odstranit, je fytoremediace, tj. využití rostlin při čištění kontaminovaných oblastí. Ta se podle míry znečištění dělí na fytostabilizaci a fytodekontaminaci. Při fytostabilizaci vybrané rostliny snižují rozpustnost cizorodé látky a tím zabraňují jejímu šíření. Při fytodekontaminaci rostliny např. s pomocí přirozené mikroflóry na kořenech přímo čistí kontaminované oblasti. Snižují také výrazně odtok a zamoření podpovrchových vod těžkými kovy. Kromě těžkých kovů se fytoremediace úspěšně používá i na odstraňování radionuklidů, výbušnin, barviv, pesticidů a léčiv. Pro úspěšnou fytoremediaci je rozhodující rozpustnost dané látky ve vodě. Čím je látka rozpustnější, tím je více dostupná pro rostlinu a mikroorganismy, které ji pak lépe a účinněji rozkládají. V posledních letech se začínají pro fytoremediaci testovat i geneticky upravené rostliny. Nespornou výhodou této technologie je šetrný přístup k prostředí. Kontaminovaná půda se nemusí nákladně bagrovat pomocí těžké techniky. Vstupní náklady a náklady na její provoz jsou nízké, a v neposlední řadě je i estetická v krajině. 

Fytoremediační strategie se dělí do několika kategorií, které bývají většinou úzce provázány (Obr. 1). Při fytoextrakci se rostliny vysázejí na kontaminovanou plochu. Akumulují toxické kovy do svých pletiv a po určité době jsou sklizeny a dále zpracovány tepelně, chemicky nebo mikrobiálně. Mezi rostlinami již byly nalezeny extrémní druhy, které dokáží do svého těla „nasát“ enormní množství těžkých kovů. Mezi ně patří např. Thalspi caerulescens z rodu hořčic. U těchto rostlin lačnících po těžkých kovech se už začíná spekulovat o technologiích, jak kovy zpětně z těla získávat v čisté podobě. Jeví se to totiž jako velmi finančně výhodné.

V oblastech s nízkou kontaminací se velmi často používá tzv. rhizofiltrace, při které se kontaminanty zachycují na kořenovém systému rostliny. Uplatnění našla např. při zachytávání radionuklidů. S úspěchem byla použita např. kukuřice, slunečnice nebo rýže, které za 24h dokázaly významně snížit koncentrace chromu, manganu nebo kobaltu z vody. Uvažuje se také o využití při odstraňování organických polutantů.

Pro efektivní odstranění organických polutantů se již úspěšně využívá fytodegradace. Ta je závislá na úzkém vztahu mezi rostlinou a její rhizosférní mikroflórou v okolí kořenů. Ty vylučují do okolí velké množství exudátů (jednoduché cukry, aminokyseliny, org. kyseliny a další), ze kterých prosperují mikroorganismy v okolí kořenů. Exudáty jim slouží jako skvělý zdroj energie a živin. V rhizosféře kořenů rostlin tedy díky exudátům žije velmi různorodá škála mikroorganismů a mykorhizních hub. Rhizosférní mikroflóra je pak schopna pomocí svých unikátních metabolických drah rozkládat polutanty. Rozklad však musí být pozorně monitorován pravidelnými odběry a chemickými rozbory, aby konečnými produkty rozkladu nevznikaly toxičtější látky než ty původní. Takovým příkladem může být například rozklad výbušnin, jako jsou nitrotolueny, kdy anaerobním rozkladem vznikají mnohem toxičtější aminy. Fytodegradace se nejčastěji používá pro čištění kontaminovaných oblastí ropnými látkami, PAH (polyaromatickými uhlovodíky), chlorovanými pesticidy, výbušninami (nitroaromatické látky) a detergenty.

Rostlina může být při rozkladu polutantů podpořena (fytostimulace) a to několika způsoby. Lze ji např. inokulovat definovanou kulturou mykorhizních hub nebo bakteriemi podporujícími růst rostlin, tzv. plant growth-promoting bacteria (PGPB). Výzkum v této oblasti však zatím nedává jednoznačné výsledky. Některé studie ukazují, že po inokulaci mykorrhizními houbami došlo k vyššímu příjmu těžkých kovů, jiné studie však žádný efekt neprokázaly. Tyto rozporuplné výsledky ukazují na fakt, že se vliv mykorhizních hub bude lišit v závislosti na použitém druhu rostliny, ale i použité mykorhizní houbě. Podobné rozporuplné výsledky ukazuje i použití PGPB. Bude tedy třeba provést další studie a vybrat takové kombinace mykorhizních hub a PGPB, které budou pomáhat rostlině efektivně růst a zároveň sorbovat kontaminanty.

Poslední skupinou je fytovolatilizace. Je to schopnost rostlin převést pomocí speciálních enzymů toxický kov na formu, která vytěká do okolí. Poprvé byl tento proces popsán u mikroorganismů, které pomocí speciální oxidoreduktázy dokázaly přeměnit rtuť (Hg⁰) na rtuťnaté ionty (Hg²⁺), které samovolně vytěkaly do prostředí. Genetickou manipulací byl gen kódující tuto oxidoreduktázu úspěšně vložen do genomu rostliny Arabidopsis thaliana. Vnesením genu se zvýšila odolnost rostliny vůči Hg²⁺ a také část pevné rtuti (Hg⁰) dokázala rostlina přetvořit na Hg²⁺. V případě využití tohoto způsobu se však musí velmi důkladně monitorovat ovzduší v postižené lokalitě a realizovat opatření, které zamezí nekontrolovatelnému úniku výparů rtuti. 

Poslední skupinou fytoremediačních postupů je fytostabilizace. Ta se většinou používá v místech s extrémní kontaminací těžkými kovy, jako jsou důlní haldy, odkaliště apod. Rostliny dokáží stabilizovat kontaminanty několika způsoby. Pomocí redoxních přeměn, převedení kontaminantu na nerozpustné formy (např. vazba olova na fosforečnany) nebo zabudováním do rostlinných struktur. Někdy se fytostabilizace využívá jako poslední krok při úpravě postižených oblastí, které byly sanovány jinými, výše zmíněnými technologiemi.

Fytoremediace je velmi perspektivní technologie pro úsporné čištění kontaminovaných oblastí nejen těžkými kovy, ale i organickými polutanty. Je paradoxní, že jak si lidstvo stále více zamořuje životní prostředí, stále více se vrací a prosí samu přírodu, aby mu pomohla „hasit jeho průšvihy“.

Autor: Ing. Jiří Bárta, Ph.D.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použitá literatura:

Kelly (K.) Goris B.Sc., (2009). The potential of phytostabilization on environmental and human risk reduction in mine waste areas, Master Thesis, University of Utrecht.

Mendez MO, Maier RM. Phytostabilization of mine tailings in arid and semiarid environments- an emerging remediation technology. Environ Health Perspect 2008;116(3):p278-6p.

Paulo J.C. Favas, Jo?o Pratas, Mayank Varun, Rohan D’Souza and Manoj S. Paul (2014). Phytoremediation of Soils Contaminated with Metals and Metalloids at Mining Areas: Potential of Native Flora, Environmental Risk Assessment of Soil Contamination, Dr. Maria C. Hernandez Soriano (Ed.), ISBN: 978-953-51-1235-8, InTech, DOI: 10.5772/57469. Available from: http://www.intechopen.com/books/environmental-risk-assessment-of-soil-contamination/phytoremediation-of-soils-contaminated-with-metals-and-metalloids-at-mining-areas-potential-of-nativ

http://slon.diamo.cz/hpvt/2002/sekce/zahlazovani/Z07/P_07.htm