Химики придумали, как помочь растениям очищать почву от тяжелых металлов

Некоторые загрязненные территории уже очищают с помощью растений, накапливающих тяжелые металлы и другие токсиканты, но этот метод пока требует доработки и подбора оптимальных добавок, которые будут, с одной стороны, стимулировать аккумуляцию металлов, а с другой - помогут растениям справляться с избытком загрязнителей. Российские ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева и НИЦ ИРЕА “Курчатовский институт” показали, что с помощью фосфорорганического вещества, помогающего связывать ионы тяжелых металлов, а также комплекса фитогормонов и соединений железа можно добиться того, чтобы клевер не только накапливал избыточные концентрации никеля, кадмия и меди, но и почти не уменьшал свою биомассу. Исследователи продолжают эксперименты и планируют применить разработки для ремедиации реальных загрязнений, а результаты работы опубликованы в журнале Sustainability.

Некоторые растения умеют извлекать из почвы тяжелые металлы и в избытке их накапливать. Часто это нежелательно - растения становятся токсичными, и, например, употреблять в пищу их уже нельзя. Но иногда такие суперспособности, наоборот можно использовать во благо. Так, в Малайзии и Индонезии есть экспериментальные фермы, где с помощью растений-гипераккумуляторов (так называют растения, способные накапливать особенно много металлов) пробуют добывать никель. А еще их можно использовать для фиторемедиации, то есть очищать с помощью таких растений загрязненную почву.

Этот метод хорошо подходит для больших территорий с невысокими показателями загрязнения. Выкапывать тонны земли часто невыгодно, а иногда и невозможно, и вместо этого проще засадить территорию, например, подходящей травой, которая накопит тяжелые металлы. Потом ее можно будет скосить, сжечь, а золу утилизировать. Российские ученые начали исследовать возможности фиторемедиации как раз после запроса от руководства одного из мусорных полигонов, где наблюдали высокую концентрацию тяжелых металлов.

“Этот полигон уже лет пять как закрыли, но там до сих пор много тяжелых металлов, по всей видимости, они из тела полигона выпирают наверх потихонечку. Раскапывать его нет смысла - мы просто сдерём верхний слой почвы, а дальше всё начнется по кругу, и мы как вариант предложили фиторемедиацию, - рассказывает первый автор работы, профессор РХТУ Анна Макарова. - Но только растения хоть и могут накапливать металлы, но по умолчанию не очень рвутся это делать. Есть, конечно, гипераккумуляторы, но они хорошо работают не со всеми металлами и не всегда могут расти в нашем климате, а самое главное - их биомасса является достаточно небольшой. Поэтому необходимо было найти химические вещества, которые стимулируют аккумуляцию металлов, а еще подобрать им помощников - другие вещества, которые уже помогут растениям компенсировать негативные эффекты от избытка тяжелых металлов в том числе и способствовать развитию биомассы. Этому и была посвящена работа”. 

Как помочь растениям?

В сельском хозяйстве, особенно в США, часто используют добавку - этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА). Это соединение очень эффективно связывает различные ионы и так помогает растениям усваивать необходимые минеральные вещества. Точно так же ЭДТА хорошо связывается и с тяжелыми металлами, поэтому ее часто используют как стимулирующую фиторемедиацию добавку. Однако у ЭДТА есть большой минус - она так плохо разлагается в почве, что в конце концов сама становится загрязнителем. Поэтому российские ученые попробовали заменить ЭДТА другим веществом - гидроксиэтилидендифосфоновой кислотой (ОЭДФ). Это фосфорорганическое соединение, которое тоже может связываться с ионами металлов, но уже не так токсично, как ЭДТА. ОЭДФ включена во многие биохимические процессы, протекающие внутри растений, содержит нужные растениям атомы фосфора и калия, быстро разлагается в почве, и фактически ее можно считать даже полезной добавкой.

Однако избыточное накопление металлов уже само по себе вредно для растений. Они болеют, хуже растут, и в результате получается аккумулировать не так много загрязнителей. Поэтому российские ученые вводили растениям еще дополнительный комплекс фитогормонов и соединения железа, помогавшие компенсировать негативные эффекты от тяжелых металлов - такое своеобразное молоко за вредность.

В экспериментах ученые использовали клевер - по данным литературы, это неприхотливое растение хорошо накапливает тяжелые металлы. Исследователи собрали образцы почвы с полигонов и, проанализировав их состав, выяснили, что основные токсиканты — это кадмий (Cd), никель (Ni) и медь (Cu). Дальше ученые взяли универсальную грунтовую смесь и ввели в нее такие же количества Cd, Ni и Cu, что и в реальных образцах, а также стимулирующие фитоаккумуляцию добавки - ту самую токсичную ЭДТА или безвредную ОЭДФ. Все растения выращивали в лабораторных условиях, фитогормоны добавляли вместе с поливом, а солями железа опрыскивали листья. По истечении 31 дня растения вырывали из земли, разделяли у них корни и побеги и отдельно их сжигали, а состав определяли с помощью метода атомной абсорбционной спектроскопии.  

Оказалось, что ЭДТА лучше стимулирует накопление металлов - с ней концентрации Ni и Cu в побегах клевера выросли почти в 6 раз по сравнению с контрольным экспериментом, в котором в почву не вводили никаких стимулирующих добавок. Но, с другой стороны, из-за использования ЭДТА клевер тускнел и слабел, и общая биомасса растения значительно снизилась. С ОЭДФ в растениях, с одной стороны, не накапливалось так много металлов (максимальный результат - увеличение концентрации никеля в корнях клевера в 2.63 раза), но, с другой стороны, у них гораздо слабей уменьшалась биомасса, а с помощью фитогормонов и железа этот негативный эффект почти нейтрализовали.

“Мы показали, что растения даже в загрязненных металлами почвах с полным комплексом наших добавок набирают достаточно приличную массу, - рассказывает Анна Макарова. - Конечно, несопоставимую с массой растений, растущих в чистой почве, но по крайней мере нам удалось хотя бы на 50% снять негативные эффекты токсикации тяжелыми металлами, а это важный шаг для того, чтобы разработать схему фиторемедиации для реальных условий”.

Вершки и корешки

Между двумя стимулирующими фиторемедиацию добавками было еще одно важное отличие. С токсичной ЭДТА металлы распределялись почти равномерно между корнями и побегами клевера, в то время как с ОЭДФ большинство токсикантов уходило в корни. Например, в некоторых экспериментах содержание Cd в корнях клевера превышало его содержание в побегах в 10 раз.

“Скорей всего это такой защитный механизм растения: оно пытается затолкать эти аккумулированные металлы в корни и так оставить максимально чистыми семена наверху, чтобы не повлиять на рост будущих потомков, - говорит Анна Макарова. - Для практики это означает, что ОЭДФ лучше всего использовать не для фитомайнинга или фиторемедиации, а скорей как защитную добавку для растений, когда есть подозрения, что почва загрязнена тяжелыми металлами. Например, для выращивания злаковых это может быть очень актуально - все металлы уйдут в корни, а вершки останутся чистыми”.

Российские ученые продолжают свои исследования в области фиторемедиации. В другой работе они предложили новую добавку, стимулирующую аккумуляцию ртути, а сейчас изучают возможности водных растений и планируют запустить более масштабные и продолжительные эксперименты. Кроме того, они обсуждают проект по фиторемедиации некоторых загрязненных территорий Усолья-Сибирского, где летом 2020 года произошла большая утечка токсичных производных ртути.

Статья: A. Makarova et al, The Improved Phytoextraction of Heavy Metals and the Growth of Trifolium repens L.: The Role of K2HEDP and Plant Growth Regulators Alone and in Combination, Sustainability (Q2), 2021, DOI: 10.3390/su13052432

Источник информации и фото: РХТУ им. Д.И. Менделеева