Aj rastliny môžu súžiť ako alternatívny spôsob očisťovania životného prostredia po kontaminácii škodlivými látkami. Témou kremíka, ktorý predstavuje pre rastliny ochranu voči pôsobeniu stresu, napríklad aj z prítomnosti ťažkých kovov v pôde, sa výskumne zaoberá špičkový vedecký tím experimentálnej biológie rastlín z Univerzity Komenského v Bratislave pod vedením profesora Alexandra Luxa. Kremík predstavuje v rámci fyziológie rastlín určitú anomáliu. Nie je považovaný za esenciálny prvok, aj keď ho mnohé druhy akumulujú vo významných množstvách. Pozornosť sa mu dlhodobo nevenovala asi aj pre jeho vysokú prítomnosť v pôde. V posledných desaťročiach sa však objavuje stále viac dôkazov o jeho mimoriadnosti v oblasti ochrany rastlín voči pôsobeniu stresu.
Podrobnosti o tejto problematike v rozhovore vysvetľujú Marek Vaculík (Katedra fyziológie rastlín PRIF UK & Botanický ústav Centra biológie rastlín a biodiverzity SAV) a Alexander Lux (Katedra fyziológie rastlín PRIF UK & Vedecký park UK & Chemický ústav SAV).
S. CIGÁŇOVÁ: Vysvetlite prosím, akým spôsobom môžu rastliny pomáhať očisťovať životné prostredie.
M. VACULÍK a A. LUX: Narastajúce množstvo rozličných cudzorodých a toxických látok v prostredí nútia človeka zamyslieť sa nad svojou činnosťou, pokúsiť sa zmierniť toto riziko a odvrátiť hrozbu vyplývajúcu z často nepremyslených krokov v minulosti. Do životného prostredia sa v posledných desaťročiach dostáva stále viac a viac nebezpečných látok, ktoré ovplyvňujú všetky živé organizmy na Zemi, vrátane človeka. Medzi jeden z najväčších zdrojov znečistenia životného prostredia patrí banská činnosť a následné spracovanie rúd a iných nerastných surovín. Keďže baníctvo bolo na Slovensku najmä v minulosti veľmi dôležitým odvetvím priemyslu, stopy po banskej činnosti možno nájsť v mnohých regiónoch. Okrem toho zdrojom kontaminácie pôd, vôd a atmosféry sú rôzne odvetvia priemyslu, najmä produkcia rôznych chemických látok, plastov, ale aj farmaceutík. Netreba však zabúdať, že aj poľnohospodárstvo prispieva svojou mierou ku kontaminácii prostredia anorganickými a organickými látkami, či už používaním nekvalitných hnojív alebo rôznych prostriedkov na ochranu rastlín s prímesou ťažkých kovov alebo toxických prvkov. V neposlednom rade treba spomenúť rastúci tlak na dopravu, energetiku a odpadové hospodárstvo. Popri zaužívaných tradičných spôsoboch očisťovania pôd a odpadových vôd sa v posledných rokoch do popredia dostali nové prístupy, založené na využití obnoviteľných prírodných zdrojov – rastlín, ktoré súhrnne označujeme ako fytoremediácie. Táto metóda vychádza z prirodzenej vlastnosti rastlín, ktoré prijímajú z prostredia rôzne anorganické látky, z ktorých potom za pomoci slnečnej energie budujú svoje telo a zabezpečujú celý metabolizmus. Pri väčšine druhov je orgánom príjmu vody a iónov koreň. Okrem látok, ktoré (v rôznych množstvách) rastliny pre svoj život nevyhnutne potrebujú, sa však do ich tiel dostávajú (tiež v rôznych množstvách) aj látky z prostredia, ktoré nepotrebujú. Rôzne druhy takéto látky vedia rôzne tolerovať, v prípade organických látok ich môžu aj metabolicky upravovať a v prípade iónov (napr. toxických kovov) ich môžu deponovať do miest v rámci organizmu, tak aby im neškodili alebo aspoň škodili menej. Takéto druhy sa potom dajú využiť na fytoremediácie.
S. C.: Ktoré druhy rastlín, konkrétne majú túto schopnosť a prečo práve oni?
M. VACULÍK a A. LUX: Pre optimalizáciu fytoremediačného procesu je dôležité neustále hľadať nové rastlinné druhy, ktoré sa vyznačujú vysokou prispôsobivosťou a toleranciou pre daný kontaminant. Jednou z veľmi študovaných skupín takýchto rastlín sú tzv. hyperakumulátory. Ide o rastliny, ktoré dokážu tolerovať prítomnosť zvýšeného množstva prvkov a aj ich aktívne prijímať a ukladať v nadzemných častiach v koncentráciách, ktoré sú pre iné rastlinné druhy letálne. Pre zaujímavosť môžeme uviesť, že častokrát ide o neesenciálne toxické prvky ako kadmium, olovo alebo arzén. Napriek tomu sa pri tejto špecifickej skupine rastlín vytvorili určité tolerančné mechanizmy, ktoré im umožňujú prežiť v tak nehostinnom prostredí. Mechanizmy hyperakumulácie stále nie sú úplne objasnené, ale vie sa o tom, že tieto rastlinné druhy sa snažia toxické prvky ukladať na miesta, kde sú najmenej škodlivé, čo je v prípade rastlín najmä pokožka, kôra alebo trichómy a tŕne. Na bunkovej úrovni sa snažia tieto látky ukladať do bunkovej steny alebo vakuol. Dokonca sa zistilo, že toxické látky prítomné v tak vysokej koncentrácii v pletivách môžu slúžiť ako obranný mechanizmus voči rôznym rastlinným predátorom, napr. fytofágnemu hmyzu. Jeden z takýchto hyperakumulátorov, peniažtek modrastý (Thlaspi (Noccaea) caerulescens) rastie aj na Slovensku. Práve ten sa stal cieľom porovnávacích anatomických a fyziologických štúdií na našej Katedre fyziológie rastlín Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave a Vedeckom parku UK v Bratislave. Okrem toho, intenzívnemu štúdiu tolerantných rastlín sa dlhodobo venujú kolegovia z Botanického ústavu Centra biológie rastlín a biodiverzity SAV v Bratislave. Nevýhodou týchto unikátnych rastlín je však častokrát ich malý vzrast a nízka tvorba biomasy. Alternatívou k hyperakumulátorom predstavujú tzv. rýchlorastúce dreviny. Hoci príjem a translokácia kontaminantov do nadzemných častí rastlín nie je taká obdivuhodná ako pri hyperakumulátoroch, ich obrovskou výhodou je nepomerne väčšia tvorba rastlinnej biomasy a ich kontinuálny rast. V našich podmienkach ide zväčša o rôzne druhy topoľov a vŕb.
S. C.: Ako funguje fytoremediácia? Je to samovoľný proces alebo je nutný zásah človeka?
M. VACULÍK a A. LUX: Fytoremediácie predstavujú progresívny typ bioremediačných postupov a keďže hlavnú úlohu v nich zohrávajú rastliny, niekedy sa zvyknú označovať tiež pojmom zelené fytotechnológie. Pojmom fytoremediácie môžeme teda označiť všetky metódy a technológie využívajúce rastliny na stabilizovanie alebo dekontamináciu znečisteného životného prostredia. V praxi rozoznávame viacero fytoremediačných metód. Azda najpoužívanejšou je tzv. fytoextrakcia, ktorá je založená na schopnosti extrakcie bioprístupných látok z pôdy pomocou koreňov, ich následnej translokácie a akumulácie v pletivách nadzemných častí rastlín, ako sú stonka, listy alebo plody. Niekedy sa zvyknú do pôdy umelo pridávať rôzne látky, napr. chelatačné zlúčeniny, ktorých úlohou je mobilizovať prvky, a tak zvýšiť ich bioprístupnosť pre rastliny. Ďalšou, pomerne bežnou metódou je fytofiltrácia, ktorá sa využíva vo vodných ekosystémoch. Na jej princípoch sú založené tzv. koreňové čističky vodných nádrží a biobazénov, keďže kontaminanty sa zachytávajú najmä v koreňovej sústave rastlín, ktoré plávajú na vodnej hladine alebo sú zakorenené na dne nádrže. Progresívnou metódou je tiež biodegradácia, ktorou možno degradovať výlučne organické látky pomocou rastlinných enzýmov priamo v rastlinnom tele alebo v okolí koreňov. Častokrát je proces degradácie úzko spätý s činnosťou rôznych pôdnych mikroorganizmov, ktoré vytvárajú s rastlinami dôležité vzťahy. Princíp fytovolatilizácie zas spočíva v príjme látok koreňmi a následným uvoľnením do atmosféry pomocou listov. Fytovolatilizácia je často predmetom diskusií, keďže nejde o priamu dekontamináciu, ale skôr o rozptýlenie kontaminantu do okolia. Nie všetky fytoremediačné metódy sú založené na princípe dekontaminácie. Častokrát na povrchu nachádzame také miesta, kde miera kontaminácie daným prvkom alebo nebezpečnou látkou je taká vysoká, že použitie rastlín na vyčistenie takéhoto územia nie je pri súčasných možnostiach a našich poznatkoch reálne. Je preto vhodnejšie zachovať kontamináciu na mieste, zabrániť jej rozšíreniu formou veternej alebo vodnej erózie a zvýšiť environmentálnu hodnotu územia jednoduchým zazelenením. Takýto fytoremediačný postup sa označuje ako fytostabilizácia. Okrem toho, do popredia sa v posledných rokoch dostáva nová progresívna fytoremediačná metóda, tzv. fytodesalinizácia, ktorá je založená na odsoľovaní slaných pôd, keďže celospoločenský tlak na obhospodarovanie doteraz nevyužiteľných pôd vďaka rastúcej globálnej populácii neustále stúpa.
S. C.: Priblížte, čím sa v tejto oblasti zaoberá váš špičkový vedecký tím?
M. VACULÍK a A. LUX: Väčšina našich experimentálnych prác súvisí s akumuláciou nebezpečných toxických látok rastlinami. Porovnávame napríklad mieru akumulácie nebezpečných a neesenciálnych prvkov, ako sú kadmium, arzén alebo antimón do rôznych rastlín a ich následný vplyv na fyziologické a biochemické procesy prebiehajúce v rastlinách, ako je fotosyntéza, aktivita rôznych antioxidačných obranných mechanizmov alebo zmeny na úrovni štruktúry rastlinných pletív. Práve dôkladná anatomická charakteristika pletív je našou doménou. Okrem toho sledujeme tiež prvky, ako sú zinok alebo meď, ktoré sú síce esenciálne, avšak v nadbytku vedia pôsobiť na rastliny toxicky. Tieto poznatky sa dajú využiť priamo vo fytoremediáciách, ale sú dôležité aj z hľadiska výberu vhodných plodín pre pestovanie v kontaminovaných pôdach, čo je dôležité z hľadiska bezpečnosti potravín. Okrem toho jednu z dôležitých línii nášho výskumu predstavuje kremík a jeho funkcie v rastlinnom organizme. Aj v našich experimentoch sa dokázal jeho pozitívny vplyv na potláčanie rôznych abiotických a biotických stresov na rast a vývin rastlín.
S. C.: Aké výsledky sa vám dosiaľ podarilo dosiahnuť?
M. VACULÍK a A. LUX: V rámci našej zahraničnej spolupráce v oblasti fytoremediácií sme napr. riešili projekty s partermi zo štokholmskej univerzity, viedenskej univerzity a Univerzity aplikovaných vied o živote (BOKU) vo Viedni, ktoré boli zamerané na porovnávanie variability jednotlivých klonov vŕb pochádzajúcich z kontrolných a znečistených lokalít v snahe objasniť procesy tolerancie a selekcie vhodných ekotypov využiteľných pri extrakcii kadmia z pôd. S partnermi z Univerzity v Pise v Taliansku sme riešili projekty štruktúrno-funkčných adaptácií rôznych klonov topoľov pre využitie remediácie zinkom kontaminovaných území. Väčšina našich prác má charakter základného výskumu, ktorý je však mimoriadne potrebný pred priamou aplikáciou selektovaných rastlinných druhov, ich klonov a ekotypov priamo na znečistených územiach.
S. C.: Čo ďalšie máte v pláne uskutočňovať v rámci výskumu rastlín a ich vplyvu na čistotu životného prostredia?
M. VACULÍK a A. LUX: Fytoremediáciám a štúdiu vplyvu rôznych environmentálnych polutantov sa určite plánujeme venovať aj v budúcnosti. Je potrebné dôsledne pochopiť mechanizmy príjmu niektorých toxických alebo potenciálne toxických prvkov do rastlinného tela a dôsledky ich toxického pôsobenia na rastlinné bunky a orgány. Výzvou pre nás naďalej ostáva štúdium mechanizmov potláčania toxického pôsobenia rôznych abiotických a biotických stresorov a štúdium špecifických mechanizmov, ktoré umožňujú vybraných rastlinných druhom, tzv. extremofilom, prispôsobiť sa životu v tak nehostinných podmienkach. Dôležitá pri tomto type výskumu je spolupráca so špecialistami z ďalších odborov, chémie, pedológie, mikrobiológie, geológie a geochémie, ale aj genetiky a molekulárnej biológie. Táto spolupráca dnes musí byť nielen národná, ale aj medzinárodná, len tak môžeme nájsť optimálne riešenia ťažkých problémov, a tým znečistenie prostredia a jeho dopad v konečnom dôsledku aj na zdravie človeka určite je.
Foto a rozhovor poskytli: Marek Vaculík (Katedra fyziológie rastlín PRIF UK & Botanický ústav Centra biológie rastlín a biodiverzity SAV) a Alexander Lux (Katedra fyziológie rastlín PRIF UK & Vedecký park UK & Chemický ústav SAV)
Zhovárala sa: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: VČ