Frontiers in Plant Science

Przemysł, Rolnictwo i praktyki usuwania odpadów doprowadziły do zanieczyszczenia gleby i wody związkami organicznymi i metalami ciężkimi na dużą skalę, co miało szkodliwy wpływ na ekosystemy i zdrowie człowieka. Konwencjonalne metody rekultywacji gleby są kosztowne i często wiążą się z magazynowaniem gleby w wyznaczonych miejscach, co raczej odkłada się na później niż rozwiązuje problem. W ostatnim dziesięcioleciu pilna potrzeba znalezienia alternatywnych metod uwydatniła naukowe i ekonomiczne korzyści roślin i związanych z nimi mikroorganizmów, które mogą być wykorzystywane do rekultywacji zanieczyszczonej gleby i wody (Meagher, 2000). Jest to eleganckie i tanie podejście do odkażania zanieczyszczonych miejsc i zostało przyjęte z wysokim stopniem akceptacji społecznej, co skłania do badań nad wykorzystaniem technologii fitoremediacji w celu rozwiązania dużych obszarów ziemi i wody, których obecnie dotyczy (recenzja Krämer, 2005;Vangronsveld et al., 2009; Lee, 2013). Ten temat badawczy Frontiers in Plant Science stanowi migawkę aktualnych badań nad zastosowaniem strategii fitoremediacji środowiska.

wielu naukowców bada obecnie zjawisko hiperakumulacji metali u różnych gatunków, dążąc do określenia mechanizmów związanych z akumulacją i detoksykacją metali ciężkich, a ostatecznie do wykorzystania tych roślin i ich mikroorganizmów pochodzących z rhizosfery do odkażania zanieczyszczonych miejsc. Eksperyment szklarniowy z użyciem Pteris vittata z lub bez szczepów bakteryjnych wybranych z autochtonicznych mikroorganizmów pochodzących z kłącza pokazał, że skuteczność fitoekstrakcji wzrosła, gdy rośliny P. vittata zostały zaszczepione wybranymi społecznościami drobnoustrojów (Lampis et al., 2015). Szczegółowa analiza porównawcza endofitycznych bakterii i grzybów z hiperakumulatorów selenu (Se) Stanleya pinnata (Brassicaceae) i Astragalus bisulcatus (Fabaceae) oraz powiązanych nieakumulatorów Physaria bellis (Brassicaceae) i Medicago sativa (Fabaceae) ujawniła, że Izolaty z hiperakumulatorów Se były bardziej odporne na selenian i selenit, mogły redukować selenit do pierwiastkowego Se, mogły redukować azotyny i wytwarzać siderofory, a kilka szczepów wykazało również zdolność aby promować wzrost roślin (Jong et al., 2015). Mikroorganizmy o wysokiej tolerancji Se i zdolności do wytwarzania pierwiastkowego Se byłyby przydatne do oczyszczania ścieków i / lub produkcji nanocząstek Se (Staicu et al., 2015).

wykorzystanie analizy omics i zaawansowanej mikroskopii do badania interakcji między hiperakumulatorami metali a bakteryjnym kłączem jest rozważane w artykule przeglądowym autorstwa Visioli i wsp. (2015). Podkreśla to pojawiające się techniki analizy społeczności mikrobiologicznych w zanieczyszczonych glebach, które pomagają określić wpływ zanieczyszczenia na te społeczności (Berg et al., 2012). Podkreśla również zalety analizy in situ w celu monitorowania kolonizacji roślin i przetrwania inokulum mikrobiologicznych w rzeczywistych warunkach, w szczególności zastosowanie skaningowej mikroskopii elektronowej środowiskowej, potężnego podejścia do analizy in situ próbek biologicznych bez przygotowania próbki(Stabentheiner et al., 2010; Visioli et al., 2014).

potencjał fitoremediacji roślin zaszczepionych bakteriami wyizolowanymi z kłącza i endosfery innych roślin uprawianych w glebie zanieczyszczonej metalami ciężkimi omówiono w dwóch artykułach (Khan et al., 2015; Ma et al., 2015). Gatunek nadrzewny Prosopis juliflora, pochodzący z Ameryki Południowej, był wcześniej uważany za gatunek bioindykatora dla zanieczyszczonych miejsc(Senthilkumar et al., 2005) i wykazano, że toleruje wysokie stężenia metali ciężkich i dlatego może być przydatny w rekultywacji gleby (Varun et al., 2011). Kilka szczepów bakterii o odporności na chrom (Cr), wyizolowanych z rhizosfery i endosfery roślin P. juliflora uprawianych na glebie zanieczyszczonej ściekami garbarskimi, wykazało również tolerancję wobec innych metali ciężkich, takich jak Cd, Cu, Pb i Zn. Szczepienie życicy (Lolium multiflorum L.) trzema z tych izolatów sprzyjało wzrostowi roślin i usuwaniu toksycznych metali z zanieczyszczonej gleby, wykazując, że interakcja między roślinami a szczepami bakterii zidentyfikowanymi na zanieczyszczonych obszarach może poprawić wzrost roślin i skuteczność fitoremediacji (Khan et al., 2015). Podobnie, rośliny Brassica juncea i Ricinus communis zaszczepione bakteriami kłączosferycznymi i endofitycznymi wyizolowanymi z zanieczyszczonego środowiska serpentynowego zgromadziły więcej biomasy i metali ciężkich niż niezaszczepione rośliny kontrolne(Ma et al., 2015). Efekty te zostały wyraźnie przypisane do produkcji metabolitów bakteryjnych, które promowały wzrost roślin i mobilizację metali. Jednak niski współczynnik translokacji metalu uzyskany po zaszczepieniu wskazywał, że odporne na metale bakterie serpentynowe nadają się do fitostabilizacji zanieczyszczonej gleby (Ma et al., 2015).

korzystna interakcja między roślinami a kłączami w celu rekultywacji zanieczyszczonej gleby jest omawiana przez Teng et al. (2015). Niektóre symbiotyczne związki między roślinami strączkowymi a bakteriami wiążącymi azot są odporne na metale ciężkie, promując rozpraszanie zanieczyszczeń organicznych i zwiększając ich usuwanie(fan et al., 2008; Glick, 2010; Li et al., 2013). Rhizobia nie tylko naprawia azot, ale także promuje wzrost roślin, zwiększając w ten sposób biomasę roślin, żyzność gleby, biodostępność, wychwyt i translokację zanieczyszczeń, degradację zanieczyszczeń organicznych i fitostabilizację metali. Wszystkie te cechy sprawiają, że rhizobia jest cennym narzędziem fitoremediacji. Kłącza endofityczne degradują zanieczyszczenia organiczne, które nagromadziły się w guzkach, zmniejszając w ten sposób fitowolatylizację i ułatwiając fitoremediację w zanieczyszczonych środowiskach (Teng et al., 2015).

dwa kolejne artykuły omawiają wykorzystanie roślin i związanych z nimi mikroorganizmów do rekultywacji gruntów zanieczyszczonych zanieczyszczeniami organicznymi (Germaine et al., 2015; Sauvêtre i Schröder, 2015). W pierwszym projekcie (Sauvêtre i Schröder, 2015) rośliny Phragmites australis były narażone na karbamazepinę, szeroko stosowany lek, który jest obecny w środowisku jako trwałe i oporne zanieczyszczenie (Ternes et al., 2007; Huerta-Fontela et al., 2011). Po 9 dniach rośliny zmniejszyły początkowe stężenie leku o 90%, A charakterystyka bakterii endofitycznych wykazała, że wszystkie Izolaty posiadały co najmniej jedną cechę sprzyjającą wzrostowi roślin. Niektóre miały zdolność usuwania karbamazepiny z gleby, podczas gdy inne wytwarzały siderofory i były w stanie rozpuszczać fosforany, co sugeruje, że byłyby one korzystne w programach fitoremediacji. Drugi artykuł dotyczy skuteczności wielkoskalowego połączonego systemu fitoremediacji / biopilingu, zwanego ekopilowaniem, do usuwania węglowodorów z gleby dotkniętej zanieczyszczeniami przemysłowymi(Germaine et al., 2015). Do zaszczepienia gleby zanieczyszczonej nawozami chemicznymi wykorzystano społeczności bakteryjne zdolne do całkowitej degradacji węglowodorów ropopochodnych (TPH). Wieloletnia trawa żytnia i biała koniczyna były następnie wysiewane w celu uzupełnienia ekopile. Podczas dwuletniego badania stwierdzono konsekwentne obniżenie poziomu TPH, co sugeruje, że to wieloczynnikowe podejście obejmujące biostymulację, bio-augmentację i fitoremediację jest odpowiednie dla gleb rekultywacyjnych zanieczyszczonych węglowodorami przemysłowymi.

warto zauważyć, że wszystkie artykuły przedstawione w tym temacie badawczym koncentrowały się na wykorzystaniu naturalnie występujących gatunków hiperakumulatorów, a nie transgenicznych roślin i/lub mikroorganizmów, chociaż genetycznie zmodyfikowane rośliny i drobnoustroje mogą być również stosowane do skutecznego oczyszczania zanieczyszczonej gleby i wody (Van Aben, 2009; Singh et al., 2011). Podkreśla to różnorodne i obiecujące podejścia, które są opracowywane przez środowisko badawcze fitoremediacji środowiska.

Oświadczenie o konflikcie interesów

autorzy oświadczają, że badanie zostało przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.