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, gebruikt planten om verontreinigende stoffen uit de bodem of uit water op te nemen.
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 aangetast. Een hoge ophoping van zware metalen in een bodem of water kan als giftig voor planten of dieren worden beschouwd.
Waarom fytoremediatie gebruiken?
Andere methodes die worden gebruikt om met zware metalen verontreinigde bodems te saneren, kunnen $ 1 miljoen US per acre kosten, terwijl fytoremediatie werd geschat op tussen de 45 cent en 1,69 dollar per vierkante voet, waardoor de kosten per hectare tot tienduizenden dollars.
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 de plantfunctie. 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 vanwege de activering van een systemische respons op zinktekort. Met andere woorden, het metaaltolerantie-eiwit vertelt de plant dat het meer zink nodig heeft omdat het "meer" nodig heeft, zelfs als dat niet het geval is, dus het neemt meer op!
Gespecialiseerde metalen transporteurs binnen 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 hechten zich vast aan het oppervlak van plantenwortels en sommige herstellende microben kunnen organische materialen afbreken, zoals aardolie en neem zware metalen op en uit de grond. Dit komt zowel de microben als de plant ten goede, aangezien het proces een sjabloon en een voedselbron kan bieden voor microben die organische verontreinigende stoffen kunnen afbreken. De planten geven vervolgens wortelafscheidingen, enzymen en organische koolstof af zodat de microben zich kunnen voeden.
Geschiedenis van fytoremediatie
De "peetvader" van fytoremediatie en de studie van hyperaccumulatieplanten 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 is geschreven door Reeves en Brooks in 1983. Ze ontdekten dat de concentratie van lood erin Thlaspi gelegen in een mijnbouwgebied was gemakkelijk de hoogste ooit geregistreerd voor elke bloeiende plant.
Het werk van professor Brooks over hyperaccumulatie van zware metalen door planten leidde tot de vraag hoe deze kennis kan worden gebruikt om verontreinigde 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 verontreinigde bodems te reinigen. In 1993, een Amerikaans octrooi werd ingediend door een bedrijf genaamd Phytotech. Onder de titel "Fytoremediatie van metalen", onthulde het octrooi een methode om metaalionen uit de grond te verwijderen met behulp van planten. Verschillende plantensoorten, waaronder radijs en mosterd, zijn genetisch gemanipuleerd om een eiwit genaamd metallothioneïne tot expressie te brengen. Het plantaardige eiwit bindt zware metalen en verwijdert ze zodat planttoxiciteit niet optreedt. Door deze technologie komen 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 sneller voedingsstoffen op dan oudere wortels, en leeftijd kan ook van invloed zijn op hoe de chemische verontreiniging door de plant beweegt. Uiteraard beïnvloeden de microbiële populaties in het wortelgebied 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 zijn onder meer Iberis intermedia en Thlaspi spp. Verschillende planten stapelen verschillende metalen op; bijvoorbeeld, Brassica juncea accumuleert koper, selenium en nikkel, terwijl Arabidopsis halleri accumuleert cadmium en Lemna gibba accumuleert arseen. Planten gebruikt in aangelegde wetlands omvatten zegge, biezen, riet en cattails omdat ze overstromingstolerant 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 hyperaccumulatieve eigenschappen? Plant weefselculturen worden vaak gebruikt in fytoremediatieonderzoek, omdat ze de respons van planten kunnen voorspellen en tijd en geld kunnen besparen.
Verhandelbaarheid van fytoremediatie
Fytoremediatie is in theorie populair vanwege de lage vestigingskosten en relatieve eenvoud. In de jaren negentig waren er verschillende bedrijven die met fytoremediatie werkten, waaronder Phytotech, PhytoWorks en Earthcare. Andere grote bedrijven zoals Chevron en DuPont ontwikkelden ook fytoremediatie technologieën. 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 grond kunnen reiken kern om wat vervuilende stoffen op te hopen, en de verwijdering van de planten nadat hyperaccumulatie heeft plaatsgevonden plaats. De planten kunnen niet opnieuw in de grond worden geploegd, door mensen of dieren worden geconsumeerd of op een stortplaats worden gezet. Dr. Brooks leidde baanbrekend werk op het gebied van de winning van metalen uit hyperaccumulatorinstallaties. Dit proces heet fytomining en omvat het smelten van metalen uit de planten.