Биолошки мониторинг загађености земљишта

[Marko Vesic]

BIOLOŠKI MONITORING ZAGAĐENOSTI ZEMLJIŠTA I BIO(FITO)REMEDIJACIJA

MONITORING predstavlja sistem sukcesivnih osmatranja elemenata životne sredine u prostoru i vremenu. Cilj je prikupljanje podataka kvantitativne i kvalitativne prirode o prisustvu i distribuciji zagađivača, prećenje emisija i imisija, izvora zagađenja i njihovog rasporeda, transporta polutanata i određivanje njihovih koncentracija na određenim mernim tačkama (Munn, 1973).

Nezaobilazni segment monitoring sistema je BIOLOŠKI MONITORING koji podrazumeva primenu živih organizama kao BIOINDIKATORA promena u životnoj sredini u prostoru i vremenu. BIOINDIKACIJU je moguće izvoditi na svim nivoima organizacije živih sistema, počevši od molekularnog, preko biohemijsko-fiziološkog, celularnog, individualnog, populacionog, specijskog, biocenološkog (ekosistemskog), biomskog završno sa biosfernim. U biološkom monitoringu zagađenosti zemljišta najčešće se koriste VASKULARNE BILJKE (vrste, njihove populacije i fitocenoze) kao FITOINDIKATORI.

Potencijalno, svaka biljna vrsta može biti upotrebljena kao bioindikator stanja životne sredine. Neophodan preduslov za to je poznavanje kako biologije, tako i ekologije (idioekologije) svake pojedinačne vrste koja se koristi kao bioindikator. Potrebno je takođe poznavati i širinu ekološke valence vrste za svaki pojedinačan faktor spoljašnje sredine (temperaturu, vlažnost, svetlost, pH zemljišta, itd.). Ekološka valenca svake organske vrste za bilo koji faktor spoljašnje sredine može biti uža ili šira. Taj princip se može primeniti i za koncentraciju zagađujućih materija u životnoj sredini.

STENOVALENTNI ORGANIZMI su oni koji imaju užu ekološku valencu, a u smislu zagađujućih materija pogodniji su za biološku indikaciju jer se koriste za kvalitativnu analizu promena u životnoj sredini.

EURIVALENTNI ORGANIZMI su oni koji imaju širu ekološku valencu, a u smislu zagađujućih materija manje su pogodni za biološku indikaciju jer se koriste za kvantitativnu analizu promena u životnoj sredini (količina, odnosno brojnost organizama, gustina, itd.).

[Marko Vesic]

VASKULARNE BILJKE KAO BIOINDIKATORI

Kao stanovnici svih delova životne sredine (voda, vazduh, zemljište) vaskularne biljke mogu precizno ukazati na ekološke uslove životne sredine. U odnosu na osnovne abiotičke faktore станишта (kao npr. vlažnost, kiselost zemljišta, količina azota u zemljištu, svetlost, temperatura) sve populacije bilo koje biljne vrste mogu se grupisati u 5 osnovnih grupa (Landolt, 1977, Kojić et al., 1994). Na svaki abiotički faktor životne sredine biljne vrste odgovaraju specifičnim kompleksom biohemijsko-fizioloških, morfo-anatomskih adaptacija, kao i opštim izgledom (habitusom), što uslovljava postojanje čitavog niza prelaznih oblika i formi u smislu ekoloških grupa biljaka u fitoindikaciji stanja životne sredine. Zbog toga su uvedeni BIOLOŠKI INDEKSI za 5 NAJOSNOVNIJIH ABIOTIČKIH FAKTORA životne sredine i definisani su EKOLOŠKI INDEKSI (brojčane vrednosti) za svaki navedeni faktor. Na osnovu indikatorskih vrednosti biljke su grupisane u kategorije (5-7) koje obuhvataju raspon od "najnižih" do "najviših" oblika (adaptivnih tipova) u smislu odgovora na pojedini abiotički faktor spoljašnje sredine.

[Marko Vesic]

A) VLAŽNOST - "V"

Indikatorska

vrednost Ekološka grupa biljaka

1 Kserofite (biljke adaptirane na uslove ekstremne suše)

2 Subkserofite (biljke koje se nalaze kako u ekstremno sušnim, tako i u mezofilnim fitocenozama)

3 Submezofite (biljke koje preferiraju mezofilna станишта, ali se mogu naći i u kserofilnim fitocenozama)

4 Mezofite (biljke umereno vlažnih staništa u kojima se ne javlja sušni period)

5 Higro-helofite

6 Amfibijske i flotantne (akvatične biljke kod kojih se listovi nalaze u vazduhu ili na površini vode)

7 Submerzne hidrofite (akvatične biljke koje su potpuno potopljene u vodu)

[Marko Vesic]

confused KISELOST ZEMLJIŠTA - "K"

Indikatorska

vrednost Ekološka grupa biljaka

1 Acidofilne biljke koje se uvek nalaze na kiselom zemljištu

2 Prelazna grupa između acidofilnih i neutrofilnih biljaka

3 Neutrofilne biljke koje se uvek nalaze na neutralnom, do slabo kiselom zemljištu

4 Prelazna grupa između neutrofilnih i bazofilnih biljaka

5 Bazofilne biljke koje se uvek nalaze na alkalnom zemljištu

[Marko Vesic]

C) KOLIČINA AZOTA U ZEMLJIŠTU - "N"

Indikatorska

vrednost Ekološka grupa biljaka

1 Oligotrofne (nitrofobne) biljke koje su adaptirane na zemljišta koja su siromašna mineralnim materijama

2 Prelazna grupa između oligotrofnih i mezotrofnih biljaka

3 Mezotrofne biljke koje se nalaze na zemljištima koja su srednje bogata mineralnim materijama

4 Prelazna grupa između mezotrofnih i eutrofnih biljaka

5 Eutrofne (nitrofilne) biljke koje mogu opstati jedino na zemljištu koje je izuzetno bogato mineralnim materijama

[Marko Vesic]

D) SVETLOST - "S"

Indikatorska

vrednost Ekološka grupa biljaka

1 Skiofite (biljke adaptirane na uslove ekstremne zasenčenosti (do 3 % pune dnevne svetlosti)

2 Prelazna grupa između skiofita i poluskiofita

3 Poluskiofite (biljke polusenke koje ne mogu opstati u uslovima ispod 10 % pune dnevne svetlosti)

4 Prelazna grupa između poluskiofita i heliofita

5 Heliofite (biljke adaptirane na uslove pune dnevne svetlosti)

E) TEMPERATURA - "T"

Indikatorska

vrednost Ekološka grupa biljaka

1 Frigorifilne (biljke adaptirane na niske temperature i kratak vegetacijski period). Ova grupa obuhvata alpijske i arkto-alpijske vrste

2 Prelazna grupa između frigorifilnih i mezotermnih biljaka. Ova grupa obuhvata borealne vrste.

3 Mezotermne (biljke adaptirane na umerene temperature). Ova grupa obuvata srednjeevropske biljke koje su u južnoj Evropi rasprostranjene u montanim oblastima.

4 Prelazna grupa između mezotermnih i termofilnih biljaka. Ova grupa obuhvata većinu submediteranskih vrsta.

5 Termofilne (biljke adaptirane na visoke temperature i duži vegetacijski period. Ova grupa obuhvata mediteranske vrste.

[Marko Vesic]

VASKULARNE BILJKE KAO INDIKATORI I HIPERAKUMULATORI TEŠKIH METALA U ZEMLJIŠTU

Vaskularne biljke mogu precizno ukazati na prisustvo i intenzitet razičitih zagađujućih materija (teški metali, hemijske materije, itd.) u vazduhu i zemljištu, kako u prirodnim ekosistemima, tako i u urbanim sredinama. U biomonitoringu teških metala najčešće se analiziraju listovi i kora drveća, ali je takođe preporučljiva primena korenova i rizoma u proceni zagađenja. Akumulacija teških metala u biljkama, u većim koncentracijama ukazuje na relativno povećanje i širenje zagađenja na staništu.

Teški metali se definišu kao oni hemijski elementi koji imaju karakteristike metala i koji imaju atomski broj veći od 20. Najčešći teški metali koji se javljaju kao zagađivači i kontaminanti zemljišta su: KADMIJUM (Cd), HROM (Cr), BAKAR (Cu), ŽIVA (Hg), OLOVO (Pb), i CINK (Zn).

Primena viših biljaka u indikaciji zagađenosti zemljišta zasniva se na njihovoj sposobnosti da "absorbuju" metale (posebno teške metale) i druge toksične supstance iz zemljišta, transportuju ih kroz svoj organizam ili ih, na određenom mestu akumuliraju. Pojedini od teških metala su čak neophodni biljkama kao mikroelementi (mangan, cink, bakar, molibden). Većina biljaka je osetljiva i na minimalne količine teških metala u podlozi, ali značajan broj vrsta opstaje na staništima koji se odlikuju velikim količinama teških i toksičnih metala. Takve biljke su, tokom evolucije, razvile brojne adaptivne mehanizme na osnovu kojih savladavaju nepovoljne uslove staništa..." (Stevanović & Janković, 2001).

"...Sposobnost biljaka da razviju otpornost na teške metale u zemljištu je genetički određena, a u posebnim situacijama u prirodi, može da bude adaptivno stimulisana. Zemljišta bogata teškim metalima javljaju se kao rezultat geoloških i klimatskih promena tokom pedogeneze. U prirodnim uslovima, na ovakvim mestima, naročito iznad rudnih ležišta, razvijaju se specijalizovane vrste ili genetički diferencirani "hemoekotipovi", koji specifično ukazuju na prisustvo teških metala ili nekog posebnog hemijskog elementa u podlozi. Generalno, biljke adaptirane na ovakva zemljišta bogata različitim metalima su označene kao metalofite i mogu biti indikatori tačno određenih mineralnih, odnosno rudnih naslaga na različitim mestima na Zemlji. U današnjim uslovima civilizacijskog i tehnološkog razvoja, vrste prilagođene opstanku na zemljištima bogatim teškim metalima mogu se naći i na mestima gde su slične situacije nastale antropogenom kontaminacijom. U ovom slučaju, indikatorske vrste mogu da budu veoma pogodne i za sađenje i revitalizaciju prostora oko rudnika i industrijskih postrojenja ili na mestima gde je zemljište zagađeno teškim metalima..." (Stevanović & Janković, 2001). Indikatori teških metala su one vrste (mahovine, kopnene i vodene biljke, itd.) koje svojim prisustvom ukazuju na postojanje, a eventualno i povećane koncentracije, pojedinih teških metala u zemljištu.

[Marko Vesic]

Tako na primer, vrste indikatori serpentinistskih staništa, ukazuju na tla siromašna KALCIJUMOM (Ca) a obogaćena MAGNEZIJUMOM (Mg), kao i NIKLOM (Ni) HROMOM (Cr) i KOBALTOM (Co) u zemljištu. Na Balkanu to su npr. Halacsya sendtneri, Cheilanthes marantae, Asplenium cuneifolium, Silene paradoxa, Echium rubrum, Alyssum murale itd.

Viola arsenica je vrsta koja je indikator zemljišta koja su bogata ARSENOM.

Urtica dioica i Urtica urens ukazuju na povećanu koncentraciju NITRATA i NITRITA u zemljištu i obično naseljavaju nitrifikovana staništa u gradskim i seoskim uslovima.

Različite vrste halofita (halos = so, phytos = biljka), kao što su: Salsola kali, Salsola soda, Camphorosma annua, Camphorosma monspeliaca, Limonium gmelini, Salicornia herbacea, Salicornia fruticosa, Suaeda maritima mogu da budu, kada su obilno razvijene, indikatori zaslanjenih i slanih staništa (kao što su morske obale i kontinentalne slatine). Ove biljke najbolje uspevaju na jako zaslanjenim staništima, dok ih na nezaslanjenim staništima uopšte nema. "...U ćelijskom soku halofita se nalaze rastvoreni hloridi i sulfati. Može se reći da su halofite "skupljači" ovih soli koje koncentrišu u svojim tkivima..." (Stevanović & Janković, 2001). Ne samo da pojedinačne vrste halofita mogu biti dobri indikatori slanih staništa, nego i određene kombinacije halofilnih vrsta, pa i čitave zajednice mogu najpogodnije da pokazuju kakva je slatina u pitanju.

Hiperakumulatori se definišu kao one vrste koje su sposobne da talože (akumuliraju) metale u koncentracijama koje su i do 100 puta veće od koncentracija koje su izmerene kod ostalih biljaka koje ne akumuliraju teške metale. Tako npr. neki hiperakumulatori će taložiti više od: 10 ppm Hg; 100 ppm Cd; 1.000 ppm Co, Cr, Cu, Pb; 10.000 ppm Ni i Zn (ppm = part per milion). Do danas je detektovano preko 400 biljnih vrsta iz oko 45 familija koje su definisane kao hiperakumulatori jednog ili više teških metala. Najveći broj biljaka hiperakumuliraju NIKL (Ni), oko 30 biljaka absorbuju ili KOBALT (Co) ili BAKAR (Cu) i/ili CINK (Zn), a mali broj biljaka akumuliraju MANGAN (Mn) i KADMIJUM (Cd).

"...Metalofite magaciniraju ogromne količine teških metala (0,5 g/kg, čak do 25 g/kg suve težine biljke), otprilike u količinama u kojima usvajaju osnovne makroelemente, a što je i po 1000 puta više od količine neophodnih mikroelemenata..." (Stevanović & Janković, 2001).

Verovatno najpoznatiji hiperakumulator teških metala je vrsta Thlaspi caerulescens. Dok najveći broj biljaka pokazuje simptome toksičnosti pri koncentraciji CINKA od oko 100 ppm, ova biljka akumulira Zn u koncentraciji od 26.000 ppm bez ikakvih oštećenja. Mnoge biljke, uključujući i T. caerulescens pokazuju sposobnost naseljavanja (kolonizacije) staništa (zemljišta) koja su obogaćena olovom (Pb), cinkom (Zn) i kadmijumom (Cd), tzv. KALAMINSKA zemljišta. Ova vrsta zajedno sa vrstom Brassica juncea predstavlja model za istraživanje fiziologije i biohemije usvajanja teških metala. Zbog ovakvih njihovih sposobnosti intenzivno se proučavaju one biljke hiperakumulatori i/ili indikatori koje su endemične za pojedine tipove zemljišta obogaćenim metalima.

[Marko Vesic]

BAKAR (Cu) u velikim količinama podnose Minuartia verna, ekotipovi Silene vulgaris, zatim Gypsophila patrinii u centralnoj Aziji, Polycarpaea spirostylis u Australiji, neke vrste roda Gladiolus u Africi, itd.

Na CINK (Zn) su otporni ekotipovi vrsta Minuartia verna, zatim vrste Silene vulgaris, Armeria maritima, Thlaspi alpestre subsp. calaminare, Viola calaminaria itd. (ime calaminare potiče od španske reči "calamine" koje ukazuje na tip podloge bogate cinkom i silicijumovim oksidima).

OLOVO (Pb) akumuliraju Agrostis tenuis, Minuartia verna i Festuca ovina.

KADMIJUM (Cd) akumuliraju Minuartia verna i Thlaspi alpestre subsp. calaminare.

"...Pojedine biljke koje nagomilavaju izuzetno štetne hemijske elemente kakvi su ARSEN ili SELEN, nazivaju se i toksikofite. Tako Jasione montana, Calluna vulgaris, kao i Agrostis tenuis akumuliraju ARSEN, dok se u listovima Astragalus racemosus, Xylorhiza tortifolia, ili vrsta iz roda Stanleya mogu naći velike količine SELENA. Izuzetnu mogućnost akumulacije raznovrsnih jona teških metala (pre svega OLOVA) i drugih toksičnih supstanci ima i tropska flotantna biljka Eichhornia crassipes zbog čega se danas široko primenjuje u prečišćavanju jezera i drugih vodenih ekosistema..." (Stevanović & Janković, 2001).

Jedna od najinteresantnijih i najkontroverznijih biljaka za biološku indikaciju zagađenosti zemljišta u urbanim ekosistemima je Ailanthus altissima - kiselo drvo (pajasen) (Jovanović et al, 1997). Ova vrsta je introdukovana iz jugoistočne Azije u Evropu (London) sredinom 18-tog veka sa prvobitnom namerom da služi kao hrana za uzgoj svilene bube. Danas je kiselo drvo jedna od najbolje prilagođenih adventivnih lišćarskih vrsta na kompleksne uslove zagađenih gradskih biotopa. Stoga su i rađena istraživanja ukupne brojnosti, populacione strukture, kao i uporedna proučavanja morfo-fizioloških karakteristika jedinki koje se razvijaju u uslovima ekstremno zagađenog zemljiša (kao i vazduha) na različitim ruderalnim staništima uže gradske zone Beograda. Cilj je bio bolje poznavanje ukupnog adaptivnog mehanizma (biohemijsko-fiziološkog i morfo-anatomskog) kiselog drveta u urbanim uslovima (Jovanović et al., 1997).

Totalnim prebrojavanjem populacija vrste A. altissima, na podruju uže gradske zone Beograda, konstatovano je tokom perioda 1990-1992. godina, prisustvo ukupno 7362 jedinke. Najveća gustina populacije zabeležena je u obodnom - obalnom pojasu pored Save i Dunava, dok je najmanja gustina populacije bila duž centralnih ulica Beograda.

Analizom zastupljenosti različitih uzrasnih klasa, utvrđena je najveća brojnost klijanaca, juvenila i izbojaka s jedne strane, kao i vegetativnih adulta s druge strane. Ovakav odnos ukazuje na pogodnost ekoloških uslova urbanih biotopa za razvoj i izuzetnu ekspanzivnost vrste A. altissima na području Beograda. Najveći primerak vrste A. altissima konstatovan je na Kalemegdanu sa prečnikom stabla od 123 cm i visinom od 13 m.

[Marko Vesic]

Za razliku od drugih vrsta drveća prisutnih u drvoredima i na ruderalnim staništima Beograda, kod kojih su patološke promene na listovima usled velike koncentracije zagađujućih materija uočljive već na prvi pogled, kiselo drvo uspeva na istim staništima bez ikakvih, makroskopski i mikroskopski, vidljivih oštećenja na listovima

U listovima kiselog drveta koje se razvija u uslovima zagađene sredine konstatovana je već početkom vegetacione sezone relativno velika količina ukupnog hlorofila (a+confused, koja premašuje sadržaj hlorofila u listovima jedinke koja se razvija u nezagađenoj sredini (što je svojevrstan paradoks). Tokom sezone, u listovima ovih biljaka, količina ukupnog hlorofila se neprestano povećava i najveću vrednost postiže u avgustu. Istovremeno, u listovima iz nezagađene sredine, sadržaj hlorofila tokom sezone konstantno opada, sa minimumom u julu mesecu i blagim povećanjem u vlažnijem jesenjem periodu.

Morfo-anatomska analiza lista kiselog drveta iz nezagađene sredine ukazuje na njegovu helio-mezokseromorfnu građu. Određene strukturne promene u uslovima zagađene sredine predstavljaju povećanu kseromorfizaciju koja odražava prilagođavanje na stresne uslove urbanih staništa. Promene u anatomskoj građi listova vrste A. altissima iz zagađene sredine ogledaju se u redukciji veličine ćelija palisadnog tkiva lica lista i diferencijaciji poslednjeg sloja ćelija mezofila koji je oblikom i položajem netipičan za palisadni parenhim, u povećanju količine kristala i idioblasta, kao i upadljivim brojem hloroplasta u ćelijama mezofila.

Na osnovu svega do sada iznetog može se zaključiti da su vaskularne biljke kao bioindikatori, OSNOVA BIOLOŠKOG MONITORINGA ZAGAĐENOSTI ZEMLJIŠTA u urbanim sistemima, jer bogatstvo i raznovrsnost ruderalne flore i vegetacije proporcionalni su karakteru i intenzitetu antropogenih uticaja u urbanim ekosistemima. Poznavanje ekologije ovih vrsta i zajednica, kao i puteva i mehanizama njihovih adaptacija na USLOVE STRESA (koji po pravilu vladaju u urbanim biotopima), predstavlja imperativ savremenih urbanoekoloških istraživanja koja treba da pruže odgovor na mnoga pitanja iz oblasti URBANE EKOLOGIJE.

[Marko Vesic]

BIO(FITO)REMEDIJACIJA - METODOLOGIJA ISTRAŽIVANJA

U današnjim uslovima, u mnogim ekosistemima, koji su pod uticajem čoveka degradirani, brojni mikroorganizmi, a pre svega bakterije, dobijaju i svoju novu ekološku ulogu. Naime, određene heterotrofne bakterije imaju sposobnost da razlažu različite sintetičke materije, pesticide, mineralna đubriva i druge štetne materije koje dospevaju u zemljište (Stevanović & Janković, 2001). Ovde se radi o biotehnologiji poznatoj pod nazivom bioremedijacija. Eszényiová et al. (2000) definiše bioremedijaciju i kao menadžment životne sredine, koji se sprovodi s ciljem da se podstakne razlaganje organskog zagađenja pomoću mikroorganizama. Iako se ona široko koristi u svetu za saniranje organskog zagađenja u životnoj sredini, ona nije rešenje za sva zagađenja. Kao i ostale tehnologije, i ona je ograničena vrstom zagađenja koje može da sanira, uslovima u životnoj sredini i vremenom potrebnim za njeno odvijanje.

Dok je, s jedne strane, ona izuzetno korisna kod tretiranja zagađenja poreklom od ugljovodonika nafte, dotle je praktično nemoćna u slučajevima zagađenja teškim metalima. Prisustvo teških metala i soli predstavlja ograničavajući faktor, jer u takvim uslovima dolazi do inhibicije rasta mikroorganizama i onemogućavanja ili značajnog usporavanja bioremedijacije (Reis, 1996). Bioremedijacija ne može da katališe razgradnju teških metala, ali može da ih transformiše tako da promeni njihovu pokretljivost ili da ih koncentruje na takav način, da mogu lako da se izdvoje iz zagađene sredine (Atlas, 2002). Veliki je broj radova u literaturi koji govori o tome da neke više biljke imaju prirodni potencijal da iz zemljišta i vode uklone toksične teške metale. Ovo njihovo prirodno svojstvo osnova je za biotehnologiju poznatu kao fitoremedijacija.

Dakle, druga biotehnologija je primena biljaka, koje ekstrahuju teške metale iz zemljišta, stimulišu degradaciju organskih zagađujućih materija ili ih stabilizuju (EPA/600/R-99/107, cit: Reichenauer, 2002). Sve je više dokaza koji nedvosmisleno ukazuju na veliki prirodni potencijal odnosno snagu koju biljke poseduju za uklanjanje različitih vrsta zagađujućih materija iz prirode.

[Marko Vesic]

FITOREMEDIJACIJA

Fitoremedijacija je tehnologija koja se još uvek razvija, mada su brojni podaci i rezultati već prisutni u literaturi. Ona se može uspešno kombinovati sa ostalim biotehnologijama, a naročito kada su u pitanju zagađeni lokaliteti sa složenom problematikom.

Definicija fitoremedijacije

Američka agencija za zaštitu životne sredine EPA (Pilipović i sar., 2002) definisala je fitoremedijaciju kao tehnologiju koja koristi biljke i njihove rizosferične mikroorganizme da ukloni, degradira ili zadrži štetne hemijske materije koje se nalaze u zemljištu, podzemnim i površinskim vodama i atmosferi.

Intenzivna istraživanja započeta su u poslednjoj dekadi prošlog veka u Sjedinjenim Državama (Pilipović i sar., 2002), mada je još davne 1885 godine Baumann (Lasat, 2002) identifikovao neke biljne vrste koje su bile sposobne da akumuliraju u svojim tkivima neuobičajno velike količine cinka. Nakon toga, isti autor navodi, Byers je 1935 godine saopštio sličnu pojavu, ali ovog puta vezanu za metal selen i to kod Astragalus spp., da bi jednu deceniju kasnije, tačnije 1948, Minguzzi i Vergnano, identifikovali biljne vrste koje su bile sposobne da akumuliraju čak do 1% nikla u svojim izdancima. Ovo su naravno bili počeci istraživanja biljaka koje imaju sposobnost hiperakumulacije pojedinih teških metala u svojim tkivima.

Iako su brojna istraživanja već izvršena ili su u toku još puno truda i napretka treba uložiti da bi se prirodni potencijal biljaka iskoristio i komercijalnije (Reichenauer, 2002). Isti autor smatra da je napredak u smislu komercijalizacije ove biotehnologije usporen nedovoljnim poznavanjem složenog odnosa koji postoji između rizosfere i mehanizama koji su zasnovani na sposobnosti biljaka da usvajaju i translociraju metale iz zagađene sredine.

[Marko Vesic]

Prednosti fitoremedijacije

Jedna od najjačih prednosti fitoremedijacije, kao i nekih drugih biotehnologija, kao što je na primer bioremedijacija, je ta što ona spada u jednu od jeftinijih biotehnologija koja je uz to i prirodna «environmental friendly» (Lasat, 2002), odnosno njenom primenom ne opterećuje se dodatno životna sredina jer se kao činioci prečišćavanja koriste isključivo prirodni objekti tj. one vrste koje i inače mogu da rastu ili rastu na datom zagađenom području.

Pilipović i sar. (2002) navodi kao prednost to da se obezbeđivanje energije za ovu biotehnologiju odvija na potpuno prirodan način jer biljke same koriste energiju sunca u onoj meri u kojoj im je neophodna kako za rast, razvoj i obavljanje svih fizioloških procesa, tako i za mehanizme fitoremedijacije.

Zatim, ovom biotehnologijom postižu se i neke propratne pojave koje nisu od malog značaja za očuvanje životne sredine, a čiji značaj se menja u zavisnosti od toga koja se biljna vrsta ili vrste primenjuje u fitoremedijaciji. Sadnjom nekih drvenastih vrsta stvaraju se i zaštitni pojasevi koji mogu efikasno da smanje buku u regionu i da predstavljaju zaštitu od vetra, da smanje emisiju ugljen dioksida u atmosferu, da stvore nova staništa za razvoj faune ili da predstavljaju izvor biomase za seču stabla na kraju tretmana ukoliko ih je potrebno ukloniti sa date lokacije.

Nedostaci fitoremedijacije

Prema Ernst-u (1996, cit: Lasat, 2002) uspešnost fitoremedijacije zavisi od:

 stepena zagađenja zemljišta,

 dostupnosti metala za usvajanje korenovima biljaka (biodostupnost), i

 sposobnosti biljaka da absorbuju i akumuliraju teške metale u svojim organima

S druge strane postoje ograničenja u smislu tipa zagađenja (toksične materije) koji je prisutan u prirodi kao i na njegovu koncentraciju, jer ukoliko ta koncentracija prevazilazi kapacitet vrste za tolerantnost prema toksičnoj materiji, ona će na nju delovati supresivno pa možda i letalno. Ovo se posebno odnosi na zagađenja poreklom od pesticida (Anderson, 2002).

Dakako, jedan od takođe veoma važnih činioca kada je u pitanju primenljivost i uspešnost fitoremedijacije jeste i dostupnost zagađujuće materije biljci i njenoj rizosferi. Da bi se zagađujuća materija s uspehom mogla sanirati ona prvo ne sme biti preduboko s obzirom da je mesto dešavanja vezano za zemljište koje okružuje korenove biljaka tj. rizosferu. Zatim ona ne sme biti suviše čvrsto vezana za čestice zagađenog zemljišta, kao što to može biti slučaj kada imamo veliki udeo frakcije gline u istom. Glina je poznata po tome da ima veliku moć adsorpcije molekula na svojoj površini. Korenovi biljaka će najbolje i najlakše usvajati one molekule, jone i atome koji se nalaze rastvoreni u zemljišnom rastvoru.

Odabir vrste koja će se primeniti u fitoremedijaciji je kritičan korak koji određuje uspešnost fitoremedijacije (Anderson, 2002). Zato je poznavanje vrsta, njihove celokupne ekologije, kao i fiziologije i osobina njihovih tkiva i organa, odnosno anatomije i morfologije od vitalnog značaja.

U sažetoj formi Pilipović i sar. (2002) ističe sledeće nedostatke i ograničenja fitoremedijacije:

 primena je ograničena na plića zemljišta,

 primena je ograničena kod pojedinih vrsta vodotokova,

 za svaku biljnu vrstu postoje pesimalne vrednosti ekoloških faktora pa tako i u pogledu tolerancije biljaka prema toksičnim materijama,

 vremenski period za odvijanje uklanjanja zagađenja iz životne sredine je veći nego kod neke druge metode, na primer mehaničkog uklanjanja,

 fitoremedijacija je efikasna samo na umereno hidrofobna jedinjenja,

 postoji potencijalna opasnost da dođe do ulaska toksina u lanac ishrane unošenjem biljnih tkiva sa akumulirnim zagađujućim materijama u životinje i njegova dalja distribucija kroz lanac ishrane.

Mehanizami fitoremedijacije i vrste fitoremedijacionih tehnika

Na osnovu načina delovanja biljaka na polutante današnja nauka izdvaja nekoliko različitih sistema fitoremedijacije zemljišta i voda, koji se prema Pilipović i sar. (2002) mogu klasifikovati na sledeći način:

[Marko Vesic]

1. Fitoakumulacija / Fitoekstrakcija

Fitoekstrakcija je upotreba viših biljaka s ciljem da se pomoću njih uklone zagađujuće materije, primarno teški metali, iz zemljišta (Lasat, 2002). U ovom pristupu koriste se biljke koje su sposobne da usvajaju kontaminantne putem korenovog sistema i translociraju i/ili akumuliraju ih do nadzemnih delova (stabla i listova). Po dostizanju određenog stepena rasta i razvoja vrši se žetva biomase iznad površine zemlje i na taj način se deo ukupne količine teških metala koji se nalazi u zemljištu, uklanja. Utvrđeno je, dakle, da biljke poseduju prirodan potencijal da uklone teške metale iz zemljišta, kao što su: Cu, Co, Fe, Mo, Mn, Ni, Zn, koji su u malim količinama biljkama neophodni za nesmetan rast i razvoj, ali Cd i Pb, koje pojedine vrste biljaka takođe akumuliraju, nemaju poznatu fiziološku aktivnost u biljnom organizmu.

Različite biljne vrste mogu da usvajaju i koncentruju različite teške metale pa čak i radioaktivne elemente i olovo. Demonstracioni projekti izvedeni su na više lokacija, kao što je Černobilj u Rusiji, koji je bio teško zagađen radioaktivnim elementima nakon havarije nuklearnog reaktora. Tako npr. utvrđeno je da zemljišta kontaminirana URANIJUMOM mogu da se tretiraju LIMINSKOM KISELINOM što za 100 puta povećava mogućnost usvajanja i koncentracije ovog radioaktivnog elemanta od strane korenovih sistema biljaka, jer ova kiselina povećava rastvorljivost uranijuma u vodi i njegovo usvajanje.

Skoro je uvrđeno da AMONIJUMOVI JONI povećavaju sposobnost usvajanja CEZIJUMA iz zemljišta od strane biljka tako da vrsta Amaranthus retroflexus čak do 40 puta više usvaja ovaj radioaktivni element iz kontaminiranog tla od ostalih biljaka. Tokom jedne vegetacione sezone (tj. 3 meseca) uklonjeno je oko 3 % od ukupne količine cezijuma iz tla, što znači da bi celokupna količina ovog radioaktivnog elementa bila uklonjena za oko 15 godina.

Biljke su razvile mehanizme koji ih štite od potencijalnog stresa jer su teški metali za biljke toksični. Tolerancija prema sredini u kojoj imamo prisustvo povećanih količina teških metala, prema Baker (1981, cit: Lasat, 2002) nastaje kao posledica dva mehanizma: ne usvajanja metala i detoksifikacije metala. Biljke koje poseduju prvi mehanizam ne usvajaju metale iz podloge, sprečavajući time njihovo prenošenje iz korena do izdanaka. Za razliku od njih druga grupa biljaka apsorbuje teške metale, ali ih u svojim ćelijama vezuje za molekule niske molekularne mase, ili katališu redoks reakcije kojima menjaju hemizam metalnih jona.

Iako mehanizam genetičke kontrole procesa hiperakumulacije teških metala u biljnom tkivu još uvek nije dobro shvaćen, genetska istraživanja pokazala su da su za tolerantost biljaka prema teškim metalima odovorni neki major geni na njihovim genskim mapama (Macnair, 1993, cit: Lasat, 2002).

Smatra se da najveći broj vrsta biljaka poseduje pod prirodnim uslovima mikorize. Simbioza sa gljivama ima potencijal da poveća absorpcionu površinu korena i stimuliše usvajanje hranljivih materija pa između ostalog i teških metala (Khan et al., 2002, cit: Lasat, 2002), ali i da utiče na premeštanje teških metala u okviru biljke.

Iako neke biljke poseduju genetički potencijal za uklanjanje teških metala iz zemljišta one pokazuju i neke negativne osobine s aspekta biotehnologije. Na primer, većina biljaka koje su hiperakumulatori su sitne i sporo rastuće vrste. Zbog toga je potrebno usmeriti se na genetički inženjering kako bi se veštačkim putem ove osobine korigovale. Brown et al (1995a, cit: Lasat, 2002) predlažu tranfer gena odgovornih za fenotip hiperakumulacije iz vrsta koje su niske i sporo rastuće u one koje imaju visoku produkciju biomase ali nisku sposobnost hiperakumuliranja teških metala. Pilipović i sar. (2002) navode da rod Populus ima potencijal da ekstrahuje velike količine ARSENA (As) i KADMIJUMA (Cd).

[Marko Vesic]

2. Fitostabilizacija

Fitostabilizacija je proces (fenomen) proizvodnje (sintetisanja) hemijskih jedinjenja od strane biljaka kako bi se imobilisale zagađujuće materije koje se nalaze u prostoru između površine korena i samog zemljišta. Fitostabilizacijom se takođe sprečava migracija polutanata eolskom, vodenom erozijom ili spiranjem ili dispergovanjem u zemljištu.

Fitostabilizacija se odvija kroz korenovu zonu mikrobiološkim ili hemijskim mehanizmima same zone korena pri čemu dolazi do promene hemizma zemljišta i/ili zagađujuće materije, kao što je promena pH vrednosti zemljišta kao posledice izdvajanja eksudata korenovog sistema ili usled nastajanja ugljen dioksida.

Fitostabilizacija može da dovede do promene rastvorljivosti metala ili organskih jedinjenja. Može doći i do fitolignifikacije, odnosno oblika fitostabilizacije kada se organska jedinjenja ugrađuju u lignin biljaka.

Fitostabilizacija se s uspehom može primenjivati za prečišćavanje zemljišta, sedimenata i muljeva koji sadrže zagađujuće materije u zoni korenovog sistema, ali i dublje. U tom aspektu naročito su izučavane topole jer one poseduju koren dubine od 1,5 do 3 metra. Prednosti ovog sisteme su velike, jer nije potrebno uklanjanje zemljišta odnosno njegovo prenošenje na neku drugu lokaciju, čime se postiže veća ekonomičnost. Obnova vegetacije je takođe veoma značajna jer ona pojačava održavanje ekosistema i njegovu stabilnost. Odlaganje opasnih zagađujućih materija ili biomase koja je ekstrahovala isto nije potrebno.

Dakle fitostabilizacijom se postiže vezivanje zagađujućih materija za delove vegetacije prisutne na nekoj lokaciji koja je zagađena i to je i osnovni nedostatak ove vrste biotehnologije, jer sama zagađujuća materija ostaje na terenu, vegetacija se mora održavati meliorativnim merama kao i đubrenjem u jednom dužem vremenskom periodu, koji je ipak vremenski ograničen. Opasnost takođe postoji i zbog toga što može da dođe do povećavanja rastvorljivosti teških metala i njihovog naknadnog ispiranja u dublje slojeve van domašaja korenovih sistema, zbog čega se mora vršiti stalna kontrola korenove zone, korenskih izlučevina, zagađujućih materija i zemljišta.