Фитомониторинг и фиторемедиация загрязняющих окружающую среду веществ

1. Введение

С 1973 года, с запуском Программы действий по охране окружающей среды (EAP), Европейский Союз создал значительный объём законодательных пакетов, направленных на улучшение качества окружающей среды: в результате, как заявила Европейская комиссия в EAP 2020, загрязнение воздуха, воды и почвы значительно сократилось. Тем не менее, загрязнение окружающей среды по-прежнему остается одной из самых серьезных проблем во всем мире, особенно в густонаселенных и промышленно развитых районах. Природные источники и антропогенная деятельность выбрасывают стойкие загрязнители, такие как тяжелые металлы, ПАУ, диоксины и микропластик, загрязняя воздух, водоемы, донные отложения и почву. Эти загрязнители переходят из абиотических компонентов экосистем в биотические, перемещаясь по пищевой цепи и нанося серьезный ущерб окружающей среде и живым существам. Поэтому, всесторонний мониторинг и удаление/стабилизация загрязнителей из окружающей среды представляют собой важные задачи для минимизации ущерба. Растительные организмы в настоящее время используются как в фитомониторинге, так и в фиторемедиации благодаря своим внутренним свойствам. В частности, растения, будучи прикрепленными организмами, не могут избежать угроз окружающей среды и выработали особые стратегии для противостояния экологическим стрессам [1]. Более того, загрязнители могут вызывать у растений чувствительность или толерантность, что позволяет использовать их в фитомониторинге (т.е. в качестве биоиндикаторов или биоаккумуляторов) или фиторемедиации [2–4]. Фитомониторинг позволяет создавать густые сети мониторинга с затратами, относительно более низкими, чем у классических устройств мониторинга. Однако, несмотря на широко устоявшиеся подходы, такие как использование эпифитных лишайников в качестве биоиндикаторов и моховых и лишайниковых мешков, существует мало данных о влиянии городской зелени как барьера для смягчения загрязнения воздуха [5] или о потенциале растений в качестве биомониторов микропластика [6,7], что отражает существенные пробелы в научных знаниях. Что касается восстановления загрязнённой почвы, физические и химические методы, как правило, дороги (в 10–50 раз дороже, чем методы на основе растений) [8], и их применение приводит к тому, что почвы лишаются своих первоначальных биологических свойств, иногда создавая новые отходы. Использование растений и связанной с ними микробиоты для восстановления загрязненных почв, водоемов и донных отложений являются эффективными и экологически безопасными методами. Они привлекают все большее внимание исследователей и заинтересованных сторон, а также повышают осведомленность общественности о защите окружающей среды для улучшения качества жизни людей.

2. Обзор опубликованных статей

Этот специальный выпуск представляет собой сборник из одиннадцати статей, девять исследовательских статей и два обзора, посвященных фитомониторингу и фиторемедиации. Обзор Вани и др. (2023) (пункт 1) обобщает методы фиторемедиации с современным и обновленным подходом, уделяя особое внимание использованию почвенных микроорганизмов для стимулирования роста и поглощения загрязняющих веществ растениями, а также использованию генной инженерии для использования видов растений с высоким уровнем производства биомассы, но ограниченной способностью поглощать загрязнители. Обзор Элазаба и др. (2023) (пункт 2) посвящен взаимодействию растений и металлов, с особым вниманием к углубленным исследованиям. Контролируемые экспериментальные условия позволяют исследовать механизмы поглощения металлов на разных этапах развития растений, а также регуляторные вещества и микроорганизмы, которые могут улучшить поглощение и перемещение металлов.

Несколько статей посвящены биоремедиации хронически загрязненных участков с помощью биостимуляции. Хасан и др. (2023) (пункт 3) изучили способность Arabidopsis thaliana аккумулировать/стабилизировать мышьяк и свинец в загрязненной почве при использовании различных смесей компоста и биообугливателя. Авторы подчеркивают, что все комбинации стабилизировали Pb и мобилизовали As, но только смесь 20% компоста и 6% биоугля вызвала рост растений, что позволяет предположить, что этот подход является многообещающим протоколом для восстановления земель, загрязненных As. Удуме и др. (2023) (источник 4) представляют свои результаты по восстановлению почвы, загрязненной нефтепродуктами, с помощью неорганических и органических мелиорантов. В частности, последние — применение компоста из эйхорнии отличной (водяного гиацинта) и отработанного грибного субстрата — дали лучшие результаты, показав, что 16 ПАУ, обозначенных Агентством по охране окружающей среды США в качестве приоритетных загрязнителей, были либо полностью, либо в значительной степени разложены, что указывает на потенциал этого мелиоранта для восстановления почв, загрязненных стойкими органическими загрязнителями. Гарау и др. (2023) (источник 5) изучали влияние компоста, биоугля и их комбинации на почву, загрязненную Sb и Zn. Авторы обнаружили, что компост улучшает подвижность питательных веществ и ферментативную активность почвы с положительным эффектом на рост Lolium rigidum, тогда как биоуголь снижает подвижность потенциально токсичных элементов (ПТЭ), вероятно, из-за его высокой поглотительной способности.

Кудо и др. (2023) (источник 6) изучали влияние температуры на поглощение, распределение и кинетику удаления Cd и Zn у Arabidopsis hallerii, выращенной на гидропонике. Авторы отмечают, что хотя два металла имеют схожие пути транспорта, разные температуры регулируют их поглощение и распределение, что указывает на разную нагрузочную способность ксилемы для транспорта; эта особенность может помочь в удалении Cd из матриц, также содержащих Zn, таких как цинковые руды.

Фиторемедиационный потенциал четырех местных видов растений, растущих на почве рудника, был исследован Азизи и др. (2023) (источник 7). Авторы обнаружили, что все виды способны поглощать/стабилизировать металлы(лоиды), демонстрируя видоспецифичное поведение для каждого элемента, но ни один вид не мог транслоцировать редкоземельные элементы (РЗЭ). Майстер и др. (2023) (источник 8) изучали потенциал местных видов миртовых (Myrtaceae) для фитомелиорации пастбищ, орошаемых очищенными муниципальными сточными водами. Авторы обнаружили, что местные миртовые были способны накапливать больше микроэлементов в своих листьях, в то время как N и P поглощались с большей скоростью у пастбищных трав. Эти результаты показывают, что орошение очищенными сточными водами может использовать преимущества присутствия местных видов с положительным эффектом на поглощение питательных веществ целевыми растениями (т.е. пастбищными травами).

Другой аспект фиторемедиации — влияние загрязнителей на рост и физиологию растений. Этот аспект исследовали Сумалан и др. (2023) (источник 9) и Лю и др. (2024) (источник 10). В первой статье изучались эффекты Cd, Cu, Pb и Zn на Silphium perfoliatum в гидропонике. Авторы выявили различное поглощение и распределение в зависимости от металла, его концентрации и рассматриваемого органа растения (корень, стебель или листья). Разное накопление также влияло на ферментативную активность, выработку пигментов и содержание пролина. Лю и др. (2024) (источник 10) изучали накопление Cd в Lonicera japonica при воздействии оксида графена, углеродного наноматериала, который недавно стали использовать для улучшения фиторемедиации почв, загрязненных металлами. В опытных образцах накопление Cd улучшало фотосинтетические показатели растения (связывание углерода и выделение кислорода) по сравнению с контролем, с положительным эффектом на производство биомассы.

Наконец, Постильоне и др. (2023) (источник 11) представляют новую статью о биомониторинге следующего поколения. Авторы исследовали микробиоту, связанную с листьями Quercus ilex в городских и природных местах, и проанализировали концентрацию взвешенных частиц (PM) и содержание ПАУ в собранных листьях с тех же мест. Авторы обнаружили, что биоразнообразие микробиоты было связано с сезоном, антропогенным воздействием и уровнем загрязнения; эти результаты позволяют предположить, что микробные сообщества, связанные с листьями, могут выступать в качестве хороших биоиндикаторов.

3. Заключение

Эта подборка статей демонстрирует живой интерес научного сообщества к проблеме загрязнения окружающей среды и разработке устойчивых решений, используемых для мониторинга и восстановления экосистем. Более того, эта коллекция подчеркивает ключевую роль растений как модельных организмов, а также как микроэкосистем, являющихся средой обитания микробных сообществ. Для углубленного изучения всех аспектов фитомониторинга и фиторемедиации необходимы комплексные знания и подходы, основанные на различных областях экспертизы, дисциплинах и методологиях. С этой точки зрения, данный специальный выпуск представляет собой ценную дискуссию среди ученых для согласования их результатов, определения вех и предоставления новой пищи для размышлений на будущее.

Вклад авторов

Концептуализация: М.К.С., С.Дж. и В.С.; написание: В.С.; окончательное чтение: М.К.С., С.Дж. и В.С. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Список литературы

1. Wani, Z.A.; Ahmad, Z.; Asgher, M.; Bhat, J.A.; Sharma, M.; Kumar, A.; Sharma, V.; Kumar, A.; Pant, S.; Lukatkin, A.S. Phytoremediation of Potentially Toxic Elements: Role, Status and Concerns. Plants 2023, 12, 429.
2. Elazab, D.; Lambardi, M.; Capuana, M. In Vitro Culture Studies for the Mitigation of Heavy Metal Stress in Plants. Plants 2023, 12, 3387.
3. Hassan, S.H.; Chafik, Y.; Sena-Velez, M.; Lebrun, M.; Scippa, G.S.; Bourgerie, S.; Trupiano, D.; Morabito, D. Importance of Application Rates of Compost and Biochar on Soil Metal (Loid) Immobilization and Plant Growth. Plants 2023, 12, 2077.
4. Udume, O.A.; Abu, G.O.; Stanley, H.O.; Vincent-Akpu, I.F.; Momoh, Y.; Eze, M.O. Biostimulation of Petroleum-Contaminated Soil Using Organic and Inorganic Amendments. Plants 2023, 12, 431.
5. Garau, M.; Pinna, M.V.; Nieddu, M.; Castaldi, P.; Garau, G. Mixing Compost and Biochar Can Enhance the Chemical and Biological Recovery of Soils Contaminated by Potentially Toxic Elements. Plants 2024, 13, 284.
6. Kudo, H.; Qian, Z.; Inoue, C.; Chien, M.-F. Temperature Dependence of Metals Accumulation and Removal Kinetics by Arabidopsis halleri ssp. gemmifera. Plants 2023, 12, 877.
7. Azizi, M.; Faz, A.; Zornoza, R.; Martinez-Martinez, S.; Acosta, J.A. Phytoremediation Potential of Native Plant Species in Mine Soils Polluted by Metal (loid) s and Rare Earth Elements. Plants 2023, 12, 1219.
8. Meister, A.; Gutierrez-Gines, M.J.; Lowe, H.; Robinson, B. The Potential of Myrtaceae Species for the Phytomanagement of Treated Municipal Wastewater. Plants 2023, 12, 2844.
9. Sumalan, R.L.; Nescu, V.; Berbecea, A.; Sumalan, R.M.; Crisan, M.; Negrea, P.; Ciulca, S. The Impact of Heavy Metal Accumulation on Some Physiological Parameters in Silphium perfoliatum L. Plants Grown in Hydroponic Systems. Plants 2023, 12, 1718.
10. Liu, Z.; Lu, Q.; Zhao, Y.; Wei, J.; Liu, M.; Duan, X.; Lin, M. Ameliorating Effects of Graphene Oxide on Cadmium Accumulation and Eco-Physiological Characteristics in a Greening Hyperaccumulator (Lonicera japonica Thunb.). Plants 2023, 13, 19.
11. Postiglione, A.; Prigioniero, A.; Zuzolo, D.; Tartaglia, M.; Scarano, P.; Maisto, M.; Ranauda, M.A.; Sciarrillo, R.; Thijs, S.; Vangronsveld, J. Quercus ilex Phyllosphere Microbiome Environmental-Driven Structure and Composition Shifts in a Mediterranean Contex. Plants 2022, 11, 3528.