Frontiers in Plant Science

Menschliche Industrie, Landwirtschaft und Abfallentsorgung haben zu einer großflächigen Kontamination von Boden und Wasser mit organischen Verbindungen und Schwermetallen mit schädlichen Auswirkungen auf Ökosysteme und die menschliche Gesundheit geführt. Herkömmliche Bodensanierungsmethoden sind teuer und beinhalten oft die Lagerung von Boden in ausgewiesenen Gebieten, wodurch das Problem eher verschoben als gelöst wird. In den letzten zehn Jahren hat die dringende Notwendigkeit, alternative Methoden zu finden, die wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Vorteile von Pflanzen und ihren assoziierten Mikroorganismen hervorgehoben, die für die Rückgewinnung von verschmutztem Boden und Wasser verwendet werden können (Meagher, 2000). Dies ist ein eleganter und kostengünstiger Ansatz für die Dekontamination verschmutzter Standorte und wurde mit einem hohen Maß an öffentlicher Akzeptanz begrüßt, was die Erforschung des Einsatzes von Phytoremediationstechnologie zur Bewältigung der derzeit betroffenen großen Land- und Wasserflächen veranlasst (überprüft von Krämer, 2005; Vangronsveld et al., 2009; Lee, 2013). Dieses Forschungsthema Frontiers in Plant Science bietet eine Momentaufnahme der aktuellen Forschung zur Anwendung von Phytoremediationsstrategien für die Umwelt.

Viele Wissenschaftler untersuchen derzeit das Phänomen der Metallhyperakkumulation bei verschiedenen Arten, um die Mechanismen zu bestimmen, die mit der Akkumulation und Entgiftung von Schwermetallen verbunden sind, und letztendlich diese Pflanzen und ihre aus der Rhizosphäre abgeleiteten Mikroorganismen für die Dekontamination verschmutzter Standorte zu verwenden. Ein Gewächshausexperiment unter Verwendung von Pteris vittata mit oder ohne Bakterienstämme, die aus autochthonen Mikroorganismen aus der Rhizosphäre ausgewählt wurden, zeigte, dass die Effizienz der Phytoextraktion zunahm, wenn P. vittata-Pflanzen mit den ausgewählten mikrobiellen Gemeinschaften inokuliert wurden (Lampis et al., 2015). Eine detaillierte vergleichende Analyse der endophytischen Bakterien und Pilze der Selen (Se) -Hyperakkumulatorspezies Stanleya pinnata (Brassicaceae) und Astragalus bisulcatus (Fabaceae) sowie der verwandten Nichtakkumulatoren Physaria bellis (Brassicaceae) und Medicago sativa (Fabaceae) ergab, dass Isolate von Se-Hyperakkumulatorspezies resistenter gegen Selenat und Selenit waren, Selenit zu elementarem Se reduzieren, Nitrit reduzieren und Siderophore produzieren konnten, und mehrere Stämme zeigten auch die Resistenz von fähigkeit zur Förderung des Pflanzenwachstums (Jong et al., 2015). Mikroorganismen mit hoher Se-Toleranz und der Fähigkeit, elementares Se zu produzieren, wären nützlich für die Abwasserbehandlung und/oder die Herstellung von Se-Nanopartikeln (Staicu et al., 2015).

Die Verwendung von Omics-Analyse und fortgeschrittener Mikroskopie zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Metallhyperakkumulatoren und dem bakteriellen Rhizobiom wird in einem Übersichtsartikel von Visioli et al. (2015). Dies betont aufkommende Techniken zur Analyse mikrobieller Gemeinschaften in verschmutzten Böden, die helfen, die Auswirkungen der Verschmutzung auf diese Gemeinschaften zu bestimmen (Berg et al., 2012). Es werden auch die Vorteile der In-situ-Analyse zur Überwachung der Besiedlung von Pflanzen und des Überlebens mikrobieller Impfstoffe unter realen Bedingungen hervorgehoben, insbesondere die Verwendung der Umweltrasterelektronenmikroskopie, ein leistungsfähiger Ansatz für die In-situ-Analyse biologischer Proben ohne Probenvorbereitung (Stabentheiner et al., 2010; Visioli et al., 2014).

Das Phytoremediationspotential von Pflanzen, die mit Bakterien inokuliert wurden, die aus der Rhizosphäre und Endosphäre anderer Pflanzen isoliert wurden, die in mit Schwermetallen kontaminierten Böden gezüchtet wurden, wird in zwei Artikeln diskutiert (Khan et al., 2015; Ma et al., 2015). Die in Südamerika beheimatete Baumart Prosopis juliflora galt bisher als Bioindikatorart für verschmutzte Standorte (Senthilkumar et al., 2005) und vertragen nachweislich hohe Konzentrationen von Schwermetallen und können daher bei der Bodenrekultivierung nützlich sein (Varun et al., 2011). Mehrere Bakterienstämme mit Resistenz gegen Chrom (Cr), isoliert aus der Rhizosphäre und Endosphäre von P. juliflora-Pflanzen, die auf mit Gerberei-Abwässern kontaminierten Böden angebaut wurden, zeigten auch Toleranz gegenüber anderen Schwermetallen wie Cd, Cu, Pb und Zn. Die Impfung von Weidelgras (Lolium multiflorum L.) mit drei dieser Isolate förderte das Pflanzenwachstum und die Entfernung toxischer Metalle aus verschmutzten Böden, was zeigt, dass die Interaktion zwischen Pflanzen und Bakterienstämmen, die in kontaminierten Gebieten identifiziert wurden, das Pflanzenwachstum und die Effizienz der Phytoremediation verbessern könnte (Khan et al., 2015). Ebenso akkumulierten Brassica juncea- und Ricinus communis-Pflanzen, die mit rhizosphärischen und endophytischen Bakterien inokuliert wurden, die aus einer verschmutzten Serpentinenumgebung isoliert wurden, mehr Biomasse und Schwermetalle als nicht inokulierte Kontrollpflanzen (Ma et al., 2015). Diese Effekte wurden eindeutig der Produktion bakterieller Metaboliten zugeschrieben, die das Pflanzenwachstum und die Metallmobilisierung förderten. Der bei der Inokulation erhaltene niedrige Metalltranslokationsfaktor zeigte jedoch, dass metallresistente Serpentinenbakterien zur Phytostabilisierung kontaminierter Böden geeignet sind (Ma et al., 2015).

Die vorteilhafte Wechselwirkung zwischen Pflanzen und Rhizobien zur Sanierung kontaminierter Böden wird von Teng et al. (2015). Bestimmte symbiotische Beziehungen zwischen Leguminosen und stickstofffixierenden Bakterien sind resistent gegen Schwermetalle, fördern die Ableitung organischer Schadstoffe und verbessern deren Entfernung (Fan et al., 2008; Glick, 2010; Li et al., 2013). Rhizobien fixieren nicht nur Stickstoff, sondern fördern auch das Pflanzenwachstum und erhöhen so die pflanzliche Biomasse, die Bodenfruchtbarkeit, die Bioverfügbarkeit, Aufnahme und Translokation von Schadstoffen, den Abbau organischer Schadstoffe und die Phytostabilisierung von Metallen. All diese Eigenschaften machen Rhizobia zu wertvollen Phytoremediationswerkzeugen. Endophytische Rhizobien bauen organische Verunreinigungen ab, die sich in Knötchen angesammelt haben, wodurch die Phytovolatilisierung verringert und die Phytoremediation in verschmutzten Umgebungen erleichtert wird (Teng et al., 2015).

In zwei weiteren Artikeln wird der Einsatz von Pflanzen und deren assoziierten Mikroorganismen zur Rekultivierung von mit organischen Schadstoffen belasteten Flächen diskutiert (Germaine et al., 2015; Sauvêtre und Schröder, 2015). Im ersten Projekt (Sauvêtre und Schröder, 2015) wurden Phragmites australis-Pflanzen Carbamazepin ausgesetzt, einem weit verbreiteten Medikament, das in der Umwelt als persistente und widerspenstige Kontaminante vorhanden ist (Ternes et al., 2007; Huerta-Fontela et al., 2011). Nach 9 Tagen reduzierten die Pflanzen die anfängliche Wirkstoffkonzentration um 90%, und die Charakterisierung der endophytischen Bakterien ergab, dass alle Isolate mindestens ein pflanzenwachstumsförderndes Merkmal aufwiesen. Einige hatten die Fähigkeit, Carbamazepin aus dem Boden zu entfernen, während andere Siderophore produzierten und Phosphat solubilisieren konnten, was darauf hindeutet, dass sie in Phytoremediationsprogrammen von Vorteil sein würden. Der zweite Artikel befasst sich mit der Wirksamkeit eines großflächigen kombinierten Phytoremediations- / Biopiling-Systems, genannt Ecopiling, zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen aus Böden, die von industrieller Kontamination betroffen sind (Germaine et al., 2015). Bakteriengemeinschaften, die zum vollständigen Abbau von Erdölkohlenwasserstoffen (TPH) fähig sind, wurden verwendet, um mit chemischen Düngemitteln kontaminierten Boden zu impfen. Mehrjähriges Roggengras und Weißklee wurden dann ausgesät, um den Ökopile zu vervollständigen. Während einer 2-Jahres-Studie gab es eine konsistente Reduktion des TPH-Niveaus, was darauf hindeutet, dass dieser multifaktorielle Ansatz mit Biostimulation, Bio-Augmentation und Phytoremediation für die Sanierung geeignet ist Böden, die mit industriellen Kohlenwasserstoffen kontaminiert sind.

Es ist bemerkenswert, dass sich alle in diesem Forschungsthema eingereichten Artikel auf die Verwendung natürlich vorkommender Hyperakkumulatorspezies anstelle von transgenen Pflanzen und / oder Mikroorganismen konzentrierten, obwohl gentechnisch veränderte Pflanzen und Mikroben auch zur effizienten Behandlung von verschmutztem Boden und Wasser verwendet werden können (Van Aben, 2009; Singh et al., 2011). Dies unterstreicht die vielfältigen und vielversprechenden Ansätze, die von der Environmental Phytoremediation Research Community entwickelt werden.

Interessenkonflikterklärung

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.