KÖRNYEZETÁLLAPOT ÉS KÖRNYEZETVÉDELEM Fitoextrakció: fémek gazdaságos eltávolítása a környezetből növények segítségével Tárgyszavak: fitoextrakció; fém; fitoremediáció; fitobányászat; bioérc; talajszennyezés.
A talaj szennyezése nehézfémekkel A talajszennyezés az utóbbi néhány évtizedben kiterjedt környezeti problémaként egyre jelentősebb figyelmet érdemel. A fokozottan elterjedő szennyező tevékenységek következtében hatalmas szántóterületek váltak használhatatlanná és veszélyessé, mind a vadon élő állatok, mind az emberek számára. A szennyeződések eltávolítása a talajból hagyományos fizikai−kémiai módszerek segítségével sajnos hatalmas költségeket ró a vállalatokra, emiatt csak kisebb körben alkalmazhatók. A tudomány jelenlegi állásfoglalása szerint a fémekkel szennyezett talaj remediálásában napjainkban a talaj feltárásának (elhordásának), illetve lerakásának módszerét alkalmazzák a leggyakrabban, amely angol holdonként M USD-os átlagos költséget jelent. A fémszennyezett talaj remediálásában felhasználható egyéb más általános eljárások közé tartozik a fixálás (megkötés), amely a talaj kémiai kezelését jelenti a fémek immobilizálása céljából, illetve a kilúgozás (átmosás), amelynek folyamatában savas oldatokkal vagy megfelelő lúgozószerekkel a fémeket deszorbeálják és kimossák a talajból, majd a tiszta talajmaradékot visszaszállítják a helyszínre. A nehézfémek biológiai úton nem bonthatók le, csak átalakíthatók egyik oxidációs állapotból vagy szerves komplexből a másikba. Az oxidációs állapot megváltozásának következményeként a fém – vízoldékonyabbá válhat, ezáltal (kimosással) kilúgozással könnyebben eltávolítható, – toxikus jellege mérséklődik, – vízoldékonysága csökken, könnyebben kicsapódik, így biológiai módon kevésbé elérhető vagy eltávolítható a szennyezett helyről, – elpárolog és eltávolodik a szennyezett helyről. A nehézfémek a talajban felhalmozódhatnak természetes módon előforduló komponensek formájában vagy emberi tevékenységek eredményeként. A fémszennyezés elsődleges forrásai a következők lehetnek: fosszilis üzemanyagok elégetése, fémtartalmú ércek bányászata és kohászata, lefelé irá
nyuló kimosódás erősáramú vezetékekből, kommunális hulladékok, műtrágyák, peszticidek és szennyvízforrások. A fitoremediáció folyamata kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkezik a jelenleg alkalmazott talajkezelési (például hulladéklerakás, kémiai megkötés, kimosás) eljárásoknál, mivel az érintett talaj az adott helyen biológiailag biztonságos állapotban visszanyerhető, míg a hagyományos módszerek esetében az ártalmatlanítás egy kijelölt tárolóhelyre juttatást igényel. Fitoremediáció A fitoremediáció általános elvei A fitoremediáció fogalma a zöld növények alkalmazását jelenti a szenynyező anyagok környezetből történő eltávolítására vagy ártalmatlanná tételére, s napjaink sokat ígérő technológiájának tekintik a szennyezett területek remediálásában. A fitoremediációra a szakirodalomban gyakran úgy is hivatkoznak, mint növényi bioremediáció vagy zöld remediáció. Ez a módszer alkalmazható mind a szerves, mind a szervetlen szennyező anyagokra, amelyek jelen lehetnek talajban (szilárd szubsztrát), vízben (folyékony szubsztrát) vagy levegőben. Általánosságban megállapítható, hogy a nehézfémek akkumulációjának képessége jelentősen változik az egyes növényi fajok, illetve a fajon belüli kultúrnövények között. A szennyező anyaggal dúsított növények betakarítását követően a szennyezett anyag tömege és térfogata tovább csökkenthető hamvasztással vagy komposztálással. A fémekkel dúsított növények esetében a veszélyes anyagok ártalmatlanításának alapelvei szerint kell eljárni; néhány esetben − ha gazdasági szempontból megvalósítható − az akkumulált fémek visszanyerésére is felhasználhatók. A napjainkban rendelkezésre álló fizikai−kémiai módszerek elsődlegesen az erőteljesen szennyezett helyek intenzív in situ vagy ex situ kezelésére használhatók, viszont kevésbé alkalmazhatók a nagy terjedelmű, de szórványosan szennyezett területek remediálására, ahol a szennyező anyagok csak viszonylag kis koncentrációban és felületesen fordulnak elő. Ezt a hiányosságot pótolhatja a fitoremediáció módszere, amely nagyon eredményes választási lehetőségnek tűnik ezeknek a diffúzan szennyezett területeknek a remediálására, meglehetősen kisebb költséggel. A fémakkumuláló növények segítségével a toxikus fémekkel enyhén vagy közepesen szennyeződött területek kezelhetők, a nagymértékben szennyezett talaj ezeknek a növényeknek a termesztésére sem alkalmas. A szennyező anyagok közül számos nehézfém, 2,4,6-trinitro-toluol, triklór-etilén, benzol, toluol, etil-benzol és xilol eltávolítása valósítható meg a fitoremediáció módszerével. Az utóbbi néhány évben a szakemberek körében felmerült annak a lehetősége, hogy szegény érctartalmú vagy mineralizált talajba hiperakkumulátor nö
vényeket telepítsenek, majd a termelt biomassza begyűjtésével és elégetésével kereskedelmi célra alkalmas „bioércet” állítsanak elő. Ez az úgynevezett fitobányászat azoknak az érctesteknek a hasznosítását biztosítaná, amelyek más módon nem lennének gazdaságosak a bányászat számára, másrészt pedig környezetre kifejtett hatásuk minimálisnak tekinthető a külszíni fejtések által okozott erózió káros tényezőivel való összehasonlításban. A fitoremediáció osztályozása • Fitoextrakció Szennyező anyagok talajból történő eltávolítása növények segítségével. Az akkumulálásra alkalmas növények a fémekből vagy szerves anyagokból álló szennyeződéseket a talajból a föld feletti hajtásokba szállítják, majd ott koncentrálják; a kifejezés elsősorban a fémek eltávolítására vonatkozik. Egyes növények esetében a gyökerek szintén betakaríthatók. • Fitofiltráció Növényi gyökerek (rhizofiltráció) vagy csíranövények (blasztofiltráció) alkalmazása szennyező anyagok, főként fémek abszorbeálására vagy adszorbeálására vízből vagy vizes hulladékáramból. A levegővel kevert vízben növekedő növényi gyökerek vagy csíranövények abszorbeálják, kicsapják, illetve koncentrálják a mérgező fémeket a szennyeződött elfolyóból. • Fitostabilizáció Növények alkalmazása a szennyező anyagok biológiai elérhetőségének mérséklésére. A növények a szennyező anyagok talajban stabilizálásával ártalmatlanítják azokat, s ennek következményeként csökkenthető a további környezeti lebomlás kockázata. • Fitopárologtatás Növények alkalmazása a szennyező anyagok elpárologtatására. A növények kivonják az illékony szennyező anyagokat (például szelénium, higany) a talajból és elpárologtatják azokat a lombozatból. • Fitodegradáció Növények és velük együtt élő mikroorganizmusok alkalmazása a szerves szennyező anyagok lebontására. A növényi gyökerek rhizoszferikus mikroorganizmusaikkal együtt alkalmazhatók a szerves anyagokkal szennyezett talaj remediálására. • Közvetett és közvetlen fitoremediáció Egyes szakirodalmi hivatkozásokban különbséget tesznek közvetett és közvetlen fitoremediáció között. A közvetett fitoremediáció folyamatában a nö
vények oly módon vesznek részt a szennyező anyagok méregtelenítésében, hogy segítik a gyökerekkel együtt élő (szimbiotikus) mikroorganizmusokat, amelyek ténylegesen végrehajtják a szennyező anyagok méregtelenítését (erre a folyamatra utal a növényekkel segített bioremediáció kifejezés). A közvetlen fitoremediáció esetében a növények saját maguk veszik fel a szennyező anyagokat, majd ezt követően immobilizálják vagy lebontják azokat. Fák alkalmazása Egyes szakértők szerint a fitoremediáció folyamatában a növények között a fás növények alkalmazása jár a legkisebb költségráfordítással. Számos olyan fafaj ismeretes, amely gyengén termő földterületeken is növekedhet. Ez lehetőséget ad a fatelepítésre olyan helyeken is, ahol a talaj termőképessége csekély, szerkezete pedig gyenge minőségű. A fák előnyös tulajdonságai közé tartozik az is, hogy a növények között ezek rendelkeznek a legmasszívabb gyökérrendszerrel, amely több méteren keresztül is penetrálódik a talajban, ellentétben a legtöbb fűszerű növény gyökerével. Néhány faj esetében a föld feletti biomassza begyűjthető, a fák pedig újra kihajtanak az adott termőterület háborítása nélkül. Ez a jellegzetesség abban az esetben lehet értékes, amikor a növényi szövetekben elkülönített szennyező anyagok periódikus eltávolítása kívánatos. Következtetések A fitoremediáció módszerét egyre szélesebb körben tanulmányozzák, mivel gazdaságos és könnyen kezelhető alternatíva a környezeti tisztítási folyamatok hagyományos módszereivel szemben. Egyes mezőgazdasági műveletek, mint például öntözés, műtrágyázás optimalizálásával, illetve az ültetési és aratási idő megfelelő ütemezésével a fitoremediációs eljárások hatékonysága növelhető. A fitoremediáció kiváló lehetőségeinek további fejlesztése multidiszciplináris megközelítést igényel, különféle tudományterületek, mint például növénybiológia, mezőgazdasági gépészet, agronómia, talajtudomány, mikrobiológia és nem utolsósorban géntechnológia szakembereinek együttes kutatómunkájával. Fémek fitoextrakciója A fitoextrakció számára ideális növénynek az alábbi jellemzőkkel kell rendelkeznie: – a fémek nagy mennyiségével szemben toleráns (a fémek nagy menynyiségét képes felvenni a növény károsodása nélkül), – jelentős mennyiségű fémet akkumulál a betakarítható részekben,
– gyorsan növekedik, – jelentős mennyiségű biomassza termelésére képes, – kiterjedt gyökérrendszerrel rendelkezik. A fémek talajból történő eltávolításának módszerei olyan vadon termő növények vizsgálatain alapulnak, amelyek nagy koncentrációban fémeket akkumulálhatnak lombozatukban. A növények fémek koncentrálására vonatkozó képességének vizsgálatánál fontos mérlegelni, hogy a növény közvetlenül vagy közvetve szerepel-e az étrendben. A nehézfémek étrendi bevitele a termesztett növények fogyasztásán keresztül hosszú távú hatást gyakorol az emberek egészségére. A természetes módon előforduló, ún. „fém hiperakkumulátor” növények az elemekből 10–500-szor nagyobb mennyiséget akkumulálhatnak, mint a termesztett növények. Tapasztalatok alapján a hiperakkumulátor növényekben egyes fémek, mint például nikkel, cink és feltehetően réz akkumulálásának mértéke elérheti száraz tömegüknek 1–5%-át (ez nagyságrenddel nagyobb koncentrációt jelent, mint ami a közelükben növekedő nem akkumuláló növények esetében megfigyelhető). Sajnos a legtöbb hiperakkumulátor növény viszonylag kis méretű, meglehetően lassan növekedik, s egyelőre még nem áll rendelkezésre a nagy mennyiségű termesztésükhöz szükséges technológia. A hiperakkumulátorok által termelt biomassza éves hozama általában egy-két nagyságrenddel kisebb, mint a robusztus termesztett növények esetében. E hátrányos tulajdonság kiküszöbölése céljából nagy mennyiségű biomassza termelésére alkalmas növények fémakkumuláló képességének kutatásával kell foglalkozni, amelyek ismert mezőgazdasági módszerekkel könnyen termeszthetők. Több szakértő tanulmányozza a termeszthető Brassica (mustár) fajok föld feletti hajtásainak fémfelvevő képességét, mivel rokonságban állnak a vadon termő fémakkumuláló mustárfajokkal. A növénytechnológiai fejlesztések során vagy az ismert hiperakkumulátor növényeket kellene úgy termeszteni, hogy fokozott mennyiségű biomassza termelésével egyidejűleg gyorsabban növekedjenek, vagy a hiperakkumulátor jellemvonásokat kellene alkalmazni megfelelő technológiai módszerekkel a gyorsan növekedő, nagy biomasszájú növények továbbfejlesztése során. (Molnár Lajos) Garbisu, C; Alkorta, I: Phytoextraction: a cost−effective plant−based technology for the removal of metals from the environment. = Bioresource Technology, 77. k. 3. sz. 2001. máj. p. 229–236. Kumar, P. B. A. N.; Duskenkov, V.: stb.: Phytoextraction: the use pf plants to remove heavy metals from soils. = Environmental Science and Technology, 29. k. 1995. p. 1232–1238. Salt, D. E.; Blaylock, M. stb.: Phytoremediation: a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants. = Biotechnology, 13. k. 1995. p. 468–474.
HÍR Géntechnika Kína földművelésében Kínában valósul meg az USA-é után a világ második legnagyobb GMprogramja, vagyis genetikailag módosított haszonnövények nagyméretű termesztése, amely a kínai szegény parasztság számára is igen előnyösnek bizonyult. Az állami alkalmazásban levő biológusok a nyugati társaságoknál nem szereplő terményekkel is kísérleteznek, és a környezetvédőkkel nem törődve gyorsan áttérnek a szabadföldi kipróbálásra. A Kaliforniai Egyetemről a Pekingi Tudományos Akadémia által meghívott tanácsadók megtudták, hogy Kínában ez ideig több mint 120 gént építettek be mintegy 50 növényfajba. Ellentétben a gyomirtókkal szembeni rezisztenciát szorgalmazó nyugati társaságokkal, Kínában a kísérleti földek 90%ában rovaroknak és betegségeknek ellenálló növényeket termesztenek, hogy megtakarítsák a drága és veszélyes kártevők elleni szereket. Géntechnika exportra Kifejlesztettek a három legelterjedtebb kártevő elleni rizsváltozatokat és kísérleteznek GM-búzával is. Kereskedelmi forgalomban van mindennemű kártevőknek ellenálló gyapot, paradicsom, paprika. A fejlesztés végső szakaszában pedig burgonya, repce, kukorica, káposzta, papaja és dohány. A legnagyobb sikert egy, a Bacillus thuringiensis rovarölő génjével módosított kínai fejlesztésű GM-termékkel, a Bt-gyapottal érték el. 1997 óta van a piacon. Jelenleg kétmillió kínai gazda termeszti 7000 km2 szántóföldön. Felhasználóinál a gyapottermelés költsége 28%-kal csökkent, jövedelme pedig évi 150 USD-vel nőtt, miközben 80%-kal kevesebb kártevők elleni szert, köztük szerves foszfátot használnak fel az országban. Kína rövidesen exportálni fog géntechnikailag módosított vetőmagokat más fejlődő országokba, ugyanakkor ilyenek behozatalát szigorúbban kívánja szabályozni. A fenntarthatatlan fejlődés új formája? A pekingi „A természet barátai” egyesület elnöke egy felvetésre válaszolva úgy nyilatkozott, hogy a módosított terményeknél sokkal súlyosabb környezeti problémák is vannak Kínában. Európából („A föld barátja” az Egyesült Királyságban) elmarasztalóbb kritika is elhangzott: „Csak idő kérdése, hogy a rovarokban kialakuljon az ellenállás: a kínaiak most éppen egy másikkal helyettesítették a fenntarthatatlan fejlődés egyik formáját”. (New Scientist, 173. k. 2328. sz. 2002. febr. 2. p. 12.)
