bioloski monitoring

BIOLOŠKI MONITORINGZAGAĐENOSTI ZEMLJIŠTA

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, praćenje emisija i imisija, izvora zagađenja i njihovog rasporeda, transporta polutanata i određivanje njihovih koncentracija na određenim mernim tačkama (Munn, 1973).

Jedan od najorganizovanijih i najsavršenijih monitoring sistema je METEOROLOŠKI MONITORING koji je uspostavljen još u pretprošlom veku i pokriva mrežu ogromnog broja meteoroloških stanica (I, II, III reda) širom planete. Meteorološki monitoring obuhvata sukcesivno praćenje, osmatranje i beleženje velikog broja klimatskih parametara (vlažnost vazduha, temperaturu, padavine, vazdušni pritisak, itd.).

BIOLOŠKI MONITORING

Nezaobilazni segment monitoring sistema je BIOLOŠKI MONITORING koji podrazumeva primenu živih organizama kao BIOINDIKATORA promena u životnoj sredini u prostoru i vremenu.

Termin BIOINDIKATORI prvi je upotrebio Clements, 1920. godine da bi označio organizme koji svojim prisustvom na staništu jasno ukazuju na ekološke uslove staništa.

Fizičko-hemijske metode monitoringa su nezaobilazni segment ovog sistema, s obzirom da pružaju egzaktne podatke o prisustvu i distribuciji zagađivača i praćenju emisija i imisija zagađivača. Međutim, one nisu dovoljne same po sebi, niti mogu isključiti biološki monitoring.

Biološki monitoring je iz metodoloških razloga podeljen u odnosu na to u kojoj od oblika životne sredine se prate promene, na:

BIOLOŠKI MONITORING ZAGAĐENOSTI VAZDUHA (pri čemu se kao bioindikatori koriste lišajevi i mahovine)

BIOLOŠKI MONITORING ZAGAĐENOSTI VODENE SREDINE (bioindikatori promene stanja su alge, fauna

bentosa, bakterije, ribe, itd.)

BIOLOŠKI MONITORING ZAGAĐENOSTI ZEMLJIŠTA (indikator-organizmi su više biljke, odnosno vegetacija)

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.

Prednost biološke indikacije u odnosu na fizičko-hemijske metode praćenja zagađivanja životne sredine leži u činjenici da živi organizmi mogu da pokazuju EFEKAT AKUMULACIJE ZAGAĐUJUĆIH MATERIJA u toku dužeg vremenskog perioda. S druge strane, fizičko-hemijske metode daju egzaktnije podatke, ali su oni dostupni samo u tačno određenom trenutku vremena.

MDK - MAKSIMALNO DOZVOLJENA KONCENTRACIJA je ona koncentracija zagađujućih materija koja ne dovodi do promena u zdravstvenom stanju ljudi. Ove maksimalno dozvoljene koncentracije definišu i propisuju najčešće zdravstvene organizacije koje u žiži interesovanja imaju samo ljudsku populaciju. To naravno ne znači da su to istovremeno i MDK za ostale žive organizme.

Potencijalno, svaka organska vrsta može biti upotrebljena kao bioindikator stanja životne sredine. Neophodan preduslov za to je poznavanje kako biologije, tako i ekologije (idioekologije) svake pojedinačne organske 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 primenjuje 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.).

VASKULARNE BILJKE KAO BIOINDIKATORI

U odnosu na osnovne abiotičke faktore staništa (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 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.

U biološkom monitoringu zagađenosti zemljišta najčešće se koriste VASKULARNE BILJKE (vrste, njihove populacije i fitocenoze) kao FITOINDIKATORI.

A) VLAŽNOST - "V"

Indikatorska Indikatorska vrednostvrednost Ekološka grupa biljakaEkološka grupa biljaka

11 KserofiteKserofite (biljke adaptirane na uslove ekstremne suše) (biljke adaptirane na uslove ekstremne suše)

22 SubkserofiteSubkserofite (biljke koje se nalaze kako u ekstremno (biljke koje se nalaze kako u ekstremno sušnim, tako i u mezofilnim fitocenozama)sušnim, tako i u mezofilnim fitocenozama)

33 SubmezofiteSubmezofite (biljke koje preferiraju mezofilna staništa, (biljke koje preferiraju mezofilna staništa, ali se mogu naći i u kserofilnim fitocenozama)ali se mogu naći i u kserofilnim fitocenozama)

44 MezofiteMezofite (biljke umereno vlažnih staništa u kojima se (biljke umereno vlažnih staništa u kojima se ne javlja sušni period)ne javlja sušni period)

55 Higro-helofiteHigro-helofite

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

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

B) KISELOST ZEMLJIŠTA - "K"

Indikatorska Indikatorska vrednostvrednost Ekološka grupa biljakaEkološka grupa biljaka

11 Acidofilne biljkeAcidofilne biljke koje se uvek nalaze na kiselom koje se uvek nalaze na kiselom zemljištuzemljištu

22 Prelazna grupa između acidofilnih i neutrofilnih Prelazna grupa između acidofilnih i neutrofilnih biljakabiljaka

33 Neutrofilne biljkeNeutrofilne biljke koje se uvek nalaze na neutralnom, koje se uvek nalaze na neutralnom, do slabo kiselom zemljištudo slabo kiselom zemljištu

44 Prelazna grupa između neutrofilnih i bazofilnih Prelazna grupa između neutrofilnih i bazofilnih biljakabiljaka

55 Bazofilne biljkeBazofilne biljke koje se uvek nalaze na alkalnom koje se uvek nalaze na alkalnom zemljištuzemljištu

C) KOLIČINA AZOTA U ZEMLJIŠTU - "N"

IndikatorskaIndikatorskavrednostvrednost Ekološka grupa biljakaEkološka grupa biljaka

11 OligotrofneOligotrofne ( (nitrofobnenitrofobne) biljke koje su adaptirane na ) biljke koje su adaptirane na zemljišta koja su siromašna mineralnim materijamazemljišta koja su siromašna mineralnim materijama

22 Prelazna grupa između oligotrofnih i mezotrofnih Prelazna grupa između oligotrofnih i mezotrofnih biljakabiljaka

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

44 Prelazna grupa između mezotrofnih i eutrofnih Prelazna grupa između mezotrofnih i eutrofnih biljakabiljaka

55 EutrofneEutrofne ( (nitrofilnenitrofilne) biljke koje mogu opstati jedino ) biljke koje mogu opstati jedino na zemljištu koje je izuzetno bogato mineralnim na zemljištu koje je izuzetno bogato mineralnim materijamamaterijama

D) SVETLOST - "S"


11 SkiofiteSkiofite (biljke adaptirane na uslove ekstremne (biljke adaptirane na uslove ekstremne zasenčenosti (do 3 % pune dnevne svetlosti)zasenčenosti (do 3 % pune dnevne svetlosti)

22 Prelazna grupa između skiofita i poluskiofitaPrelazna grupa između skiofita i poluskiofita

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

44 Prelazna grupa između poluskiofita i heliofitaPrelazna grupa između poluskiofita i heliofita

55 HeliofiteHeliofite (biljke adaptirane na uslove pune dnevne (biljke adaptirane na uslove pune dnevne svetlosti)svetlosti)

E) TEMPERATURA - "T"


11 FrigorifilneFrigorifilne (biljke adaptirane na niske temperature i kratak (biljke adaptirane na niske temperature i kratak vegetacijski period). vegetacijski period). Ova grupa obuhvata alpijske i arkto-Ova grupa obuhvata alpijske i arkto-alpijske vrstealpijske vrste

22 Prelazna grupa između frigorifilnih i mezotermnih Prelazna grupa između frigorifilnih i mezotermnih biljakabiljaka. Ova grupa obuhvata borealne vrste.. Ova grupa obuhvata borealne vrste.

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

44 Prelazna grupa između mezotermnih i termofilnih Prelazna grupa između mezotermnih i termofilnih biljakabiljaka. Ova grupa obuhvata većinu submediteranskih vrsta.. Ova grupa obuhvata većinu submediteranskih vrsta.

55 TermofilneTermofilne (biljke adaptirane na visoke temperature i duži (biljke adaptirane na visoke temperature i duži vegetacijski periodvegetacijski period)). . Ova grupa obuhvata mediteranske vrste.Ova grupa obuhvata mediteranske vrste.

VASKULARNE BILJKE KAO INDIKATORI I HIPERAKUMULATORI TEŠKIH METALA U ZEMLJIŠTU

Vaskularne biljke mogu precizno ukazati na prisustvo i intenzitet različitih 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).

U prirodnim uslovima, na zemljištima bogatim teškim metalima, 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.

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.

Biljne vrste indikatori serpentinitskih staništa, ukazuju na tla siromašna KALCIJUMOM (Ca) a obogaćena MAGNEZIJUMOM (Mg), kao i NIKLOM

(Ni) HROMOM (Cr) i KOBALTOM (Co) u zemljištu.

Halacsya sendtneri

Echium rubrum

Asplenium cuneifolium

Vrsta koja je indikator zemljišta koja su bogata ARSENOM

Viola arsenica

stanište Alšar (Makedonija)

Biljne vrste koje ukazuju na povećanu koncentraciju NITRATA i NITRITA u zemljištu i obično naseljavaju nitrifikovana staništa

Urtica dioica

Urtica urens

Različite vrste halofita (halos = so, phytos = biljka), mogu da budu, kada su obilno razvijene, indikatori zaslanjenih i slanih staništa (kao što su morske obale

i kontinentalne slatine)

Salsola soda

Suaeda maritima

Limonium gmelini

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

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)

Neke biljke pokazuju sposobnost naseljavanja (kolonizacije) staništa (zemljišta) koja su obogaćena OLOVOM (Pb), CINKOM (Zn) i KADMIJUMOM (Cd),

tzv. KALAMINSKA zemljišta

Thlaspi alpestre subsp. calaminare

Viola calaminaria

BAKAR (Cu) u velikim količinama podnose sledeće biljke

Na CINK (Zn) su otporni ekotipovi vrsta

Armeria maritima subsp. halleri

Silene vulgaris

OLOVO (Pb) akumuliraju

Agrostis tenuis

Festuca ovina

Pojedine biljke koje nagomilavaju izuzetno štetne hemijske elemente kakvi su ARSEN ili SELEN, nazivaju se i TOKSIKOFITE

Pteris vittata - ARSEN

Xylorhiza tortifolia - SELEN

Izuzetnu mogućnost akumulacije raznovrsnih jona teških metala (OLOVA) i drugih toksičnih supstanci ima i tropska flotantna biljka Eichornia crassipes zbog čega se

danas široko primenjuje u prečišćavanju jezera i drugih vodenih ekosistema

Eichhornia crassipes

Jedna od najinteresantnijih i najkontroverznijih biljaka za biološku indikaciju zagađenosti zemljišta u urbanim ekosistemima je - kiselo drvo (pajasen)

Ailanthus glandulosa (= A. altissima)

-Vrsta introdukovana iz SE Azije u Evropu sredinom 18-og veka, kao Vrsta introdukovana iz SE Azije u Evropu sredinom 18-og veka, kao hrana za uzgoj svilene bubehrana za uzgoj svilene bube

-Danas jedna od najbolje prilagodjenih adventivnih liscarskih vrsta na Danas jedna od najbolje prilagodjenih adventivnih liscarskih vrsta na kompleksne uslove zagadjenih gradskih biotopakompleksne uslove zagadjenih gradskih biotopa

-U uslovima visoke zagadjenosti uspeva bez ikakvih, makroskopski i U uslovima visoke zagadjenosti uspeva bez ikakvih, makroskopski i mikroskopski vidljivih ostecenja na listovimamikroskopski vidljivih ostecenja na listovima

-U listovima kiselog drveta u uslovima zagadjene sredine konstatovana je U listovima kiselog drveta u uslovima zagadjene sredine konstatovana je vec pocetkom sezone relativno velika kolicina ukupnog hlorofila, kolicina vec pocetkom sezone relativno velika kolicina ukupnog hlorofila, kolicina koja premasuje sadrzaj hlorofila u uslovima jedinke koja se razvija u koja premasuje sadrzaj hlorofila u uslovima jedinke koja se razvija u nezagadjenoj sredini. Tokom sezone se kolicina ukupnog hlorofila nezagadjenoj sredini. Tokom sezone se kolicina ukupnog hlorofila neprestano povecava I najvecu vrednost dostize u avgustu. Istovremeno, neprestano povecava I najvecu vrednost dostize u avgustu. Istovremeno, u listovima iz nezagadjene sredine sadrzaj hlorofila tokom sezone u listovima iz nezagadjene sredine sadrzaj hlorofila tokom sezone konstantno opada, sa minimumom u julu i blagim povecanjem u konstantno opada, sa minimumom u julu i blagim povecanjem u vlaznijem jesenjem periodu.vlaznijem jesenjem periodu.

BIOREMEDIJACIJA

BIOREMEDIJACIJA

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

Kao i ostale tehnologije, i ona je ograničena vrstom zagađenja koje može da sanira, uslovima u životnoj sredini i vremenom potrebnim za 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

BIOREMEDIJACIJA – deli se na dve podkategorije

Biostimulacija (aplikacija nutrijenata kako bi se ubrzao

proces razgradnje)

Bioaugmentacija (dodavanje ili “zasejavanje” mikroorganizama

kako bi došlo do razgradnje ciljne kontaminacije ili otpadnog

materijala)

Strategije u bioremedijaciji

2. Korišćenje prirodnih / domaćih mikrobijalnih populacija

1. Poboljšanje uslova za razvoj mikroorganizama

3. “Zasejavanje" kontaminiranog mestaspecijalno razvijenim mikroorganizmima

CILJEVI BIOREMEDIJACIJE

Redukcija toksičnosti – smanjenje ukupne toksičnosti kontaminiranog zemljišta putem različitih metaboličkih

stupnjeva i međustupnjeva

Povećanje rastvorljivosti – povećanje relativne rastvorljivosti kontaminanata može dovesti do drugačijeg

rasporeda i na taj način lakšeg uklanjanja

Restauracija – vraćanje staništa u prethodno stanje, koje naseljavaju autohtone populacije mikro i makro

organizama

TOKSIČNE MATERIJE

U odnosu na okolinu, toksične materije imaju brojne osobine koje ih čine “teškim” za uklanjanje ili absorbciju:

Toksičnost (za ljude, biljke, životinje i mikroorganizme)

Istrajnost (materijali se mogu zadržati u nepromenjenom toksičnom obliku izuzetno

dugo vremena)

Spor metabolizam (materijali se ne mogu uspešno metabolisati od strane autohtonih

populacija)

Slaba rastvorljivost (materijali koji se teško rastvaraju, ne mogu se lako ukloniti sa

staništa. To može uticati na poremećaj u metabolizmu razgradnje od strane autohtonih

populacija)

Mnoga jedinjenja mogu biti razgrađena mikroorganizmima, i to u formama netoksičnih materija ili manje toksičnih intermedijera:

2,4-D (2,4-dihlorofenoksiacetilna kiselina) (herbicidi)

DDT (pesticidi)

Ugljovodonična goriva i ulja

PCB's - polychlorinated biphenyls (tečnosti za hlađenje u električnim transformatorima)

Sapuni i deterdženti

Neke vrste plastike

Neorganski kontaminanti - arsen, selen, živa (baterije), nitriti (sastojci đubriva), uranijum

Mikroorganizmi koji razgrađuju toksine:

Postoji veliki broj mikroorganizama koji razgrađuju kontaminante. U odnosu na njihovu stopu rasta, razvijaju se

populacije koje su sposobne da intenzivnije razgrađuju i metabolišu 2,4-D i srodne kontaminante:

Alcaligenes eutrophus (genetički modifikovana kojoj je priključen plazmid koji obezbeđuje genetičku informaciju

potrebnu za razlaganje 2,4-D)

Burkholderia cepacia (razlaže 2,4-D)

Halomonas (halo-tolerant, 2,4-D razgrađujuća bakterija)

FITOREMEDIJACIJA

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

Iako su brojna istraživanja već izvršena ili su u toku, još puno truda i napretka treba uložiti da bi se prirodni potencijal biljaka iskoristio mnogo komercijalnije

Smatra se 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

Prednosti fitoremedijacijePrednosti fitoremedijacije

Fitoremedijacija spada u jednu od jeftinijih biotehnologijaFitoremedijacija spada u jednu od jeftinijih biotehnologija

FitorFitoremedijacija je prirodna tehnologija «emedijacija je prirodna tehnologija «environmental environmental friendlyfriendly», odnosno njenom primenom se ne opterećuje », odnosno njenom primenom se ne opterećuje dodatno životna sredinadodatno životna sredina

Obezbeđivanje energije za ovu biotehnologiju odvija se na Obezbeđivanje energije za ovu biotehnologiju odvija se na potpuno prirodan načinpotpuno prirodan način (od strane biljaka u procesu (od strane biljaka u procesu fotosinteze)fotosinteze)

Ovom biotehnologijom postižu se i neke propratne pojave koje Ovom biotehnologijom postižu se i neke propratne pojave koje nisu od malog značaja za očuvanje životne sredinenisu od malog značaja za očuvanje životne sredine

NNedostaci fitoremedijacijeedostaci fitoremedijacije

stepena zagađenja zemljištastepena zagađenja zemljišta

dostupnosti metala dostupnosti metala ((zagađujućih materija) zagađujućih materija) za usvajanje za usvajanje korenovima biljaka (biodostupnost)korenovima biljaka (biodostupnost)

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

tipa tipa zagađenja (toksične materije) koji je prisutan u prirodi zagađenja (toksične materije) koji je prisutan u prirodi kao i od njegove koncentracijekao i od njegove koncentracije

oodabirdabiraa vrste koja će se primeniti u fitoremedijaciji koji je vrste koja će se primeniti u fitoremedijaciji koji je kritičan korak koji određuje uspešnost fitoremedijacijekritičan korak koji određuje uspešnost fitoremedijacije

Prema Ernst-u uspešnost fitoremedijacije zavisi od:

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

primena je ograničena na plića zemljišta,primena je ograničena na plića zemljišta,

primena je ograničena kod pojedinih vrsta vodotokova,primena je ograničena kod pojedinih vrsta vodotokova,

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

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

fitoremedijacija je efikasna samo kod umereno hidrofobnih fitoremedijacija je efikasna samo kod umereno hidrofobnih jedinjenja,jedinjenja,

potencijalna opasnost da dođe do ulaska toksina u lanac potencijalna opasnost da dođe do ulaska toksina u lanac ishrane unošenjem biljnih tkiva sa akumulirishrane unošenjem biljnih tkiva sa akumuliraanim zagađujućim nim zagađujućim materijama u životinje i njegova dalja distribucija kroz lanac materijama u životinje i njegova dalja distribucija kroz lanac ishrane.ishrane.

Fitoremedijacione tehnikeFitoremedijacione tehnike

Fitoakumulacija / FitoekstrakcijaFitoakumulacija / Fitoekstrakcija

FitostabilizacijaFitostabilizacija

RizoRizosferna biosferna biodegradacija degradacija / stimulacija mikroorganizama/ stimulacija mikroorganizama

FitoFitodegradacija degradacija / Fitotransformacija/ Fitotransformacija

FitovolatiFitovolatililizacijazacija

1. Fitoakumulacija / Fitoekstrakcija1. Fitoakumulacija / Fitoekstrakcija

Fitoekstrakcija je upotreba viših biljaka s ciljem da se pomoću njih uklone zagađujuće materije, primarno teški metali, iz zemljišta. 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 uklanja deo ukupne količine teških metala koji se nalazi u zemljištu

Različite biljne vrste mogu da usvajaju i koncentrišu 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

Skoro je uvrđeno da AMONIJUMOVI JONI povećavaju sposobnost usvajanja CEZIJUMA iz zemljišta od strane biljaka tako da vrsta Amaranthus retroflexus čak do 40 puta više usvaja ovaj radioaktivni element iz kontaminiranog tla od ostalih biljaka

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, nastaje kao posledica dva mehanizma:

ne usvajanja metala

detoksifikacije metala

Utvrđeno je da zemljišta kontaminirana URANIJUMOM mogu da se tretiraju LIMUNSKOM KISELINOM što za 100 puta povećava mogućnost usvajanja i koncentracije ovog radioaktivnog elementa od strane korenovih sistema biljaka, jer ova kiselina povećava rastvorljivost uranijuma u vodi i njegovo usvajanje

Biljka kandidat za fitoekstrakciju arsena ?Biljka kandidat za fitoekstrakciju arsena ?

Pteris vittataPteris vittata – kineska paprat ! – kineska paprat !

- velika produkcija biomase- velika produkcija biomase

- razvijen korenov sistem- razvijen korenov sistem

- hiperakumulacija arsena u - hiperakumulacija arsena u nadzemnom delu čak i u uslovima nadzemnom delu čak i u uslovima niske koncentracije As u zemljištuniske koncentracije As u zemljištu

- otpornost na bolesti i pesticide- otpornost na bolesti i pesticide

- snažan habitus i višegodišnjost- snažan habitus i višegodišnjost

- sposobnost naseljavanja različitih - sposobnost naseljavanja različitih ekoloških niša sa visokom vrednošću ekoloških niša sa visokom vrednošću pH, što je pogodno za usvajanje AspH, što je pogodno za usvajanje As

2. Fitostabilizacija2. 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, npr. 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

Prednosti ovog sistema su velike, jer nije potrebno uklanjanje zemljišta odnosno njegovo prenošenje na neku drugu lokaciju, čime se postiže veća ekonomičnost

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

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.

3. 3. RizoRizosferna biosferna biodegradacija degradacija / stimulacija mikroorganizama/ stimulacija mikroorganizama

Rizosferna degradacija odvija se u zemljištu koje se nalazi u neposrednoj okolini korenovih sistema biljaka koje vrše biodegradaciju

To je mikrobiološko razlaganje organskih zagađujućih materija koje je potpomognuto korenovim sistemima viših biljaka, jer sami korenovi sistemi luče i obezbeđuju enzime i organske supstance (polisaharidi, aminokiseline, organske i masne kiseline, faktori rasta), koje stimulišu rast i razmnožavanje mikroorganizama i omogućavaju im da svojom aktivnošću razgrade zagađujuće materije.

S druge strane korenov sistem povećava aktivnu površinu za odvijanje degradacije zagađujućih materija, on zatim poboljšava aeraciju zemljišta, sadržaj vlage u zemljištu i doprinosi stvaranju optimalnijih uslova za dejstvo mikroorganizama.

Prva prednost ove metode su in situ uslovi razgradnje zagađujućih organskih jedinjenja, što doprinosi znatnoj uštedi materijalnih sredstava pri sanaciji zagađenja

Druga prednost je smanjena mogućnost premeštanja zagađenja iz zemljišta u biljku i dalje u lanac ishrane, ili iz biljke u atmosferu.

Nedostatak ove metode je u tome što je za odvijanje ovog procesa potrebno dosta vremena, što može biti izrazito nepovoljno kada zagađeno zemljište ima loše vodno-vazdušne, ili mehaničke osobine, koje dodatno usporavaju razvoj mikroorganizama i njihovo dejstvo kao i razvoj samih korenovih sistema

Ova vrsta fitoremedijacije je naročito uspešna za razgradnju organskih jedinjenja poreklom iz nafte i derivata, zatim za jedinjenja BTEX kompleksa (benzen, toluen, etil-benzen i ksilen), pesticide, itd.

4. 4. FitoFitodegradacija degradacija / Fitotransformacija/ Fitotransformacija

Fitodegradacija ili fitotransformacija podrazumeva degradaciju zagađujućih materija putem metaboličkih procesa samih biljaka, pri čemu se to razlaganje odnosno degradacija može odvijati unutar samih biljaka, u okolini biljke pod dejstvom njenih enzima (dehalogenaze, oksigenaze) ili izlučivanjem enzima biljaka u samo zemljište

Dakle osnovni mehanizmi u ovoj fitoremedijaciji su usvajanje i metabolizam zagađujućih materija od strane biljaka

Osobine molekula zagađujućih jedinjenja kao što su rastvorljivost, hidrofobnost i polarnost određuju stepen uspešnosti ove biotehnologije

Prednosti ove metode se ogledaju u tome što se fitodegradacija može primeniti kod onih zemljišta koja nemaju vijabilnu i aktivnu mikrofloru, koja bi svojom aktivnošću takođe mogla doprineti razlaganju zagađujućih materija

Nedostatak je mogućnost obrazovanja toksičnih metabolita i međuproizvoda metabolizma o čemu se mora striktno voditi računa prilikom opredeljivanja i implementacije ove metode u praksi

Metoda fitodegradacije korisna je pri tretiranju zagađenog plitkog zemljišta, zatim podzemnih i površinskih voda i to u širokom opsegu klimatskih prilika

5. 5. FitovolatiFitovolatililizacijazacija

Fitovolatilizacija je proces usvajanja, transporta i oslobađanja zagađujućih materija, putem mehanizma transpiracije kod viših biljaka uz otpuštanje zagađujućih materija u istom ili modifikovanom obliku u atmosferu

Emisija putem transpiracije manje toksičnih ili netoksičnih jedinjenja je završna faza ovog oblika fitoremedijacije

Početna faza je usvajanje iz zagađenog medijuma toksične ili opasne materije, zatim njena translokacija do mesta metaboličke promene i sama promena putem metaboličkih mehanizama u ćelijama tkiva biljnog organizma.

Fitovolatilizacija se može uspešno primenjivati za tretiranje podzemnih voda, zemljišta, sedimenata i muljeva

Pošto se kod ove metode radi o procesu transpiracije svi oni činioci koji utiču na odvijanje transpiracije kod biljaka mogu pozitivno ili negativno uticati i na fitovolatilizaciju

Naime, temperatura, padavine, insolacija, vazdušni pritisak i vetar znatno mogu uticati na efikasnost i količinu transpirisane zagađujuće materije

Problem kod fitovolatilizacije može da predstavlja emisija u atmosferu štetnih jedinjenja koja mogu da imaju kancerogeno dejstvo, kao što je vinil-hlorid, koji se u nekim slučajevima dobija metabolizmom trihloretena

Drugi nedostatak predstavlja mogućnost akumulacije štetnih metabolita i međuproizvoda u biljnim tkivima i plodovima čime ona mogu da uđu u lanac ishrane

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 ili su njihova staništa jako slabo zastupljena na većim površinama.

Zbog toga je potrebno usmeriti se na genetički inženjering kako bi se veštačkim putem ove osobine korigovale. Zato se predlaže 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

POBOLJŠANJE FITOREMEDIJACIJE BIOTEHNOLOGIJOM

PRIMERI PRIMENE TRANSGENIH BILJAKA

Iskorišćavanje prirodnih mehanizama detoksifikacije kod biljaka

Rugh i saradnici sa Univerziteta Georgia izvršili su transfer gena za bakterijalnu reduktazu jona žive u Arabidopsis thaliana i žutu topolu, i time povećali toleranciju na jone žive, kao i konverziju u manje toksičnu formu elementarne žive. Takva forma žive se zatim oslobađa putem volatilizacije iz transgenih biljaka.

Iako se teški metali i metaloidi ne mogu enzimatski razlagati kao što je to slučaj sa organskim kontaminantima, genetski inženjering može doprineti poboljšanju fitoremedijacije teških metala

Drvenasta vrsta duvana tobacco (Nicotiana glauca), koja brzo raste i produkuje veliku količinu biomase, genetski je modifikovana unošenjem gena TaPCS1, poreklom iz pšenice koji kodira fitohelatin sintazu. Transgena semena pokazala su veliku toleranciju na KADMIJUM i korenovi koji su se razvili iz ovakvih semena bili su za 160 % duži u odnosu na kontrolne biljke.


Glifozat (N-fosfonometil glicin) je aktivni sastojak široko korišćenog herbicida pod imenom Roundup (Monsanto), koji se koristi i protiv trava i protiv

širokolisnih korova.

Nova linija soje sadrži bakterijski gen za 5-enolpiruvilšikimat-3-fosfat sintazu koji je rezistentniji na inhibiciju od strane glifozata, što omogućava modifikovanim biljkama soje da podnesu primenu ovog herbicida bez smanjenja prinosa

Transfer metaboličkih funkcija iz mikroorganizama u biljku

Glifozat


Transfer metaboličkih funkcija iz mikroorganizama u biljku

Viši nivo tolerancije na jednu vrstu eksploziva glicerol trinitrat i 2,4,6-trinitrotoluen postignut je vrstom transgenog duvana koji je u sebi sadržao gen za mikrobijalni enzim pentaeritritol tetranitrat reduktazu.

Nitroglicerin


TCE - Tetrahloroetilen Cl2C=CCl2

Humani gen za citohrom P450 2E1, enzim koji vrši oksidaciju širokog spektra ugljovodoničnih polutanata, ubačen je u biljke duvana što je rezultiralo povećanjem transformacije TCE i etilen dibromida 640 puta više u odnosu na kontrolne biljke.

Transfer Metaboličkih Funkcija iz Humanog genoma u Biljku

RIZICI PRIMENE TRANSGENIH BILJAKA

Nekontrolisano širenje transgena putem ukrštanja sa populacijama divljih srodnika

Nekontrolisano širenje transgenih biljaka u odnosu na njihovu višu adaptivnu vrednost (npr. tolerancija na metale), ili njihovu generalno govoreći “korovsku” prirodu

Biološka transformacija metala u oblike koji su više biodostupni, što bi uzrokovalo povećano izlaganje divljih vrsta i ljudi tim metalima

ZAKLJUČAK

Različite vrste fitoremedijacije mogu se s uspehom primeniti samo ukoliko se u potpunosti zadovolje svi kriterijumi potrebni za njihovu uspešnu implementaciju

Svakako da osnovni i ključni kriterijum jeste ispravan odabir vrste. Jedna od tih vrsta je topola, koja se u odnosu na svoje karakteristike važne za fitoremedijaciju svrstava u sam vrh primenjenih biljnih vrsta

Na osnovu dosadašnjih rezultata može se reći da fitoremedijacione tehnike imaju potencijal da jednog dana i dominiraju u sferi remedijacije sredina zagađenih različitim vrstama zagađenja

Procenjeno je (US AEC) da cena fitoremedijacije 1 ara zemljišta zagađenog olovom, i to do dubine od 50 cm iznosi od 60.000 do 100.000 $, dok ostale mehaničke metode uklanjanja olova sa tog zemljišta koštaju od 400.000 do 1700.000 $

bioloski monitoring

Documents