Universitatea Tehnica “Gheorghe Asachi” Iasi

Facultatea de Inginerie Chimica si Protectia Mediului

Specializarea: Ingineria si Protectia Mediului in Industrie

Biotehnologii si Bioremediere

Fitoremedierea solului

Profesor indrumator: Studente:

Conf. Dr. Ing. Irina Volf Anca-Diana Craciun

Andreea-Raluca Rusu

Fitoremedierea Solului

Fitoremedierea se refera la bioremedierea botanica si implica utilizarea

plantelor verzi pentru decontaminarea solurilor, apelor si aerului. Este o

tehnologie care poate fi aplicata atat poluantilor organici cat si poluantilor

anorganici (metale mai ales) prezenti in sol, apa sau aer.

Tehnicile de fitoremediere pot oferi singura cale eficienta de refacere a

sutelor de mii de km2 de sol si ape poluate in urma activitatilor umane,

constituind o alternativa ieftina si ecologica a metodelor fizice de remediere,

distructive pentru mediu, folosite curent.

Ideea utilizarii plantelor ce acumuleaza metale, pentru inlaturarea

selectiva si reciclarea metalelor aflate in exces in mediu, a fost introdusa in

1983, a castigat interes deosebit in anii 90 si a fost examinata tot mai mult ca

o tehnologie practica, putin costisitoare comparativ cu metodele clasice de

inlocuire sau spalare a solurilor poluate.

Scenariul ideal pentru fitoremedierea poluantilor elementari implica

extractie, translocarea cationilor toxici sau oxianionilor in tesuturile

supraterane si recoltarea acestora, conversia elementelor in radacini pentru

pevenirea percolarii din zona poluata.

Unii autori propun utilizarea concomitenta a amendamentelor

chimice(carbonat de calciu, fosfati, oxizi de fier si de mangan, zeoliti) si

plantelor pentru transformarea contaminantilor in forme inaccesibile si

stabile.

Fitoremedierea se refera la capacitatea naturala a anumitor plante

numite hiperacumulatori la bioacumulare, degradare sau sa faca contaminanti

inofensivi în sol, apa sau aer. (www.sciencedirect.com)

Din punct de vedere al fitoremedierii planta poate fi considerata ca fiind

un sistem de pompare si tratare care poate preveni raspandirea contaminarii

solurilor.

Contaminanti, cum ar fi de metale, pesticide, solventi, explozibili, titei au

fost diminuate in proiectele de fitoremediere din intreaga lume.

Plantele cu potential de fitoremediere mare pot fi speciile din flora

spontana ce cresc in locuri poluate sau plantele cultivate care au trasaturi

specifice,determinate de mediul poluant.

Poluantii pot fi absorbiti in plante prin cateva procese naturale biofizice

si biochimice, si anume prin: absorbtie, transport, translocare,

hiperacumulare si transformare.

Fitoremedierea este considerata o tehnologie care protejeaza mediul

perturbator, spre deosebire de metode de curatire mecanice, cum ar fi

excavare sol sau de pompare a apelor subterane poluate. In ultimii 20 de ani,

aceasta tehnologie a devenit tot mai populara si a fost folosita pentru soluri

contaminate cu plumb, uraniu, precum si arsen.

Cu toate acestea, un dezavantaj major al fitoremedierii este ca acesta

necesita un angajament pe termen lung deoarece procesul este dependent de

cresterea plantelor, toleranta la toxicitate si capacitate de bioacumulare.

Fitoremedierea solului poate fi limitata de:

-Adancimea zonei de tratare care este determinata de plantele folosite in

fitoremediere. In majoritatea cazurilor, acest procedeu poate fi folosit pe

solurile de mica adancime.

-Concentratiile mari de substante periculoase pot fi toxice pentru plante.

-Comporta aceleasi limite de transfer in masa ca alte biotratamente

-Uneori se poate face doar in anumite sezoane, in functie de locatii.

-Poate transfera poluantii intre medii, cum ar fi de exemplu din sol in aer.

-Nu este eficient pentru poluantii puternic absorbiti (cum ar fi PCB) si cei

absorbiti slab.

-Toxicitatea si biodisponibilitatea produsilor de degradare nu sunt

intotdeauna cunoscute.

- Produsii pot fi mobilizati in apele subterane sau bioacumulati in animale.

Avantaje:

-costul fitoremediere este mai mic decat cel al procesele traditionale, atat in

situ si ex situ

-impact redus asupra mediului

-plantele pot fi usor monitorizate

-posibilitatea de recuperare si re-utilizarea de metale pretioase (de catre

societati specializate in "phytomining") (www.sciencedirect.com)

Dintre dezavantajele fitoremedierii se pot mentiona:

limitarea adâncimii zonei tratate in functie de plantele utilizate - in

majoritatea cazurilor procedeul este aplicabil pentru poluanti aflati

aproape de suprafata;

concentratii ridicate de materiale periculoase pot fi toxice pentru

plante;

prezinta aceleasi limitari privind transferul de masa ca si celelalte

tehnologii de bioremediere;

poate avea caracter sezonier, depinzand de locatia geografica a ariei

supuse bioremedierii;

poate transfera poluantii intre diverse medii (din sol in aer, de ex.); nu

este eficienta pentru contaminantii puternic adsorbiti, cum ar fi PCB;

toxicitatea si biodisponibilitatea produsilor de biodegradare nu este

intotdeauna cunoscuta;

produsii de biodegradare pot fi mobilizati in apa freatica sau se pot

bioacumula in regnul animal, prin intermediul lantului trofic;

fiind inca in faza demonstrativa, este relativ nefamiliar forurilor

legislative.

Tipuri de fitoremediere:

Sub denumirea generala de fitoremediere sunt cuprinse acele procese

care utilizeaza plantele pentru indepartarea, transferul, stabilizarea si

distrugerea contaminantilor din sol, apa, sedimente. Metodele de

fitoremediere ofera un potential semnificativ pentru anumite aplicatii si

permit remedierea unor situri mult mai mari decat ar fi posibil in cazul

utilizarii unor tehnologii traditionale de remediere. Un numar mare de specii

de plante (peste 400 la ora actuala), incepand cu ferigile pteridofite si

terminand cu angiosperme ca floarea-soarelui sau plopul, pot fi utilizate

pentru indepartarea poluantilor prin intermediul mai multor mecanisme.

Mecanismele fitoremedierii includ biodegradarea intensificata in rizosfera

(rizodegradarea), fitoextractia (fitoacumularea), fitodegradarea si

fitostabilizarea.

Rizodegradarea are loc in portiunea de sol care inconjoara radacinile

plantelor. Substantele naturale eliberate de radacinile plantelor servesc drept

substrat pentru microrganismele prezente in rizosfera, accelerand astfel

degradarea contaminantilor. Radacinile plantelor afaneaza solul, lasand loc

pentru transportul apei si aerare. Acest proces tinde sa impinga apa catre

zona de suprafata si sa deshidrateze zonele saturate mai joase.

Fitoextractia este procesul prin care radacinile plantelor absorb

impreuna cu apa si nutrientii si contaminantii din sol (metalele, in special).

Contaminantii nu sunt distrusi, dar se acumuleaza in radacinile, tulpinile si

frunzele plantelor, care pot fi recoltate in vederea indepartarii si distrugerii

contaminantilor. Procesul de extractie depinde de abilitatea plantelor de a

creste in soluri cu concentratii ridicate de metale si de capacitatea acestora de

a extrage din sol metalele in conditiile climaterice specifice solului respectiv.

Pentru fitoextractie se pot folosi fie plante cu capacitate naturala exceptionala

de a acumula metale, asa numitii hiperacumulatori, fie plante care produc

cantitati ridicate de biomasa (porumb, orz, mazare, ovaz, orez, mustar indian)

asistate chimic cu adaosuri de substante care imbunatatesc capacitatea de

extractie a metalelor. Adaosurile de acid citric, acid oxalic, acid galic, acid

vanilic, chelatizanti clasici ca etilendiaminotetraacetat - EDTA si

dietilentriaminopentaacetat - DTPA sau chelatizanti biodegradabili ca

etilendiaminodisuccinat — EDDS, metilglicindiacetat — MGDA imbunatatesc

substantial extractia din sol a Zn, Cd, Cu si Ni. Aceste adaosuri prezinta insa

riscul de a mobiliza metalele in apele subterane. Numarul hiperacumulatorilor

in regnul vegetal este redus: circa 400 de specii de plante vasculare, marea

majoritate prezentand o afinitate deosebita pentru Ni. Prin definitie,

hiperacumulatorii trebuie sa acumuleze cel putin 100 mg/g Cd sau As, 1000

mg/g Co, Cu, Cr, Ni sau Pb, 10000 mg/g Mn sau Ni. Anumite specii de ferigi

prezinta o capacitate deosebita de acumulare pentru As — pana la 23000

mg/kg in lastarii speciei Pteris vitata. Hrisca obisnuita (Fagopyrum

esculentum Moench) poate acumula in tulpini pana la 4200 mg/kg Pb, fiind

prima specie hiperacumulatoare de Pb care are si o productivitate ridicata in

biomasa. Alte plante cu potential pentru fitoextractie sunt cele din genul

Brassica: Brassica juncea (mustarul indian) pentru Cd, Cr(VI), Cs, Cu, Ni, Pb, U,

Zn, Brassica napus (napul) pentru Pb, Se, Zn, Brassica oleracea (varza

ornamentala) pentru Cs, Ni, As, Tl. Extractia Hg biodisponibil din sol se poate

realiza cu orz, grau, lupin galben (Lupinus luteus), iarba cainelui (Cynodon

dactylon).

Fitodegradarea este procesul de metabolizare a contaminantilor in

tesuturile vegetale. Plantele produc enzime (dehalogenaze, oxigenaze) care

favorizeaza degradarea catalitica a contaminantilor ajunsi in tesutul vegetal.

Este studiata posibilitatea degradarii concomitente a compusilor aromatici si

a compusilor alifatici clorurati prin aceasta metoda.

Fitostabilizarea este procesul bazat pe capacitatea anumitor plante de a

produce compusi chimici care pot lega, la interfata radacina - sol, intr-o forma

inactiva, cantitati importante de compusi toxici (indeosebi metale grele),

impiedicand astfel raspandirea lor in apele subterane sau in alte medii. Uzual,

solul supus fitostabilizarii este arat, tratat cu diverse amendamente pentru

fixarea rapida a metalelor (var, ingrasaminte fosfatice, oxihidroxizi de Fe sau

Mn, minerale argiloase etc.), dupa care este insamantat cu plante cunoscute ca

slabi translocatori ai metalelor, astfel incat acestea sa nu ajunga in partile

plantei care pot fi consumate de animale. Iarba vantului (Agrostis tenuis) si

paiutul rosu (Festuca rubra) sunt folosite in aplicatii comerciale pentru

fitostabilizarea solurilor contaminate cu Pb, Zn sau Cu.

Rizofiltrarea este similara fitoacumularii, cu observatia ca se aplica doar

efluentilor lichizi. Plantele sunt crescute fara sol si sunt transportate in ariile

contaminate. Pe masura ce radacinile se satureaza cu contaminanti, se

recolteaza si se depoziteaza.

Fitovolatilizarea este procesul prin care plantele absorb apa

contaminata cu compusi organici pe care ii elimina apoi in atmosfera prin

intermediul frunzelor. Si unele metale (Hg, As, Se) pot fi eliminate sub forma

de compusi gazosi, dar toxicitatea acestora pune la indoiala eficacitatea

acestei metode. Plante de tutun (Nicotiana tabacum) modificate genetic au

fost utilizate pentru sorbtia mercurului si a metilmercurului din sol, urmata de

eliberarea acestora in atmosfera ca oxid de mercur.

Influenta hidraulica este procesul prin care arborii in special faciliteaza

procesele de remediere, influentand miscarea apei din panza freatica. Arborii

actioneaza ca pompe naturale atunci cand radacinile lor ajung sub oglinda

apei freatice, stabilind o retea densa de radacini care preiau cantitati

importante de apa. Spre exemplu, o specie de plop (Populus deltoides) ajunsa

la maturitate poate absorbi pana la 1,3 m3 de apa zilnic.

In concluzie se poate defini fitoremedierea ca procesul de utilizare in

situ a plantelor vii pentru tratarea solurilor, namolurilor si apelor subterane,

prin indepartarea, degradarea sau imobilizarea poluantilor existenti. Tehnicile

de fitoremediere sunt potrivite pentru ariile in care contaminarea este de

nivel scazut pana la moderat, suficient de aproape de suprafata, si intr-o zona

putin adanca. Cu aceste limitari, fitoremedirea poate fi aplicata pentru

diferitelor categorii de poluanti: metale, pesticide, solventi, explozivi, titei

brut, HAP, diferiti compusi organici, scurgeri de la depozitarea deseurilor

menajere. Specia vegetala frecvent utilizata in proiectele de fitoremediere este

deocamdata plopul. Acest arbore creste rapid, poate supravietui in conditii

climaterice variate, iar in comparatie cu alte specii poate extrage cantitati

mari de apa din acvifere sau din sol, extragand astfel si poluantii solubilizati

din mediul contaminat.

Fitoremedierea este o tehnologie noua, inca in faza de dezvoltare,

aplicatiile sale practice fiind relativ recente. Primele cercetari s-au facut la

inceputul anilor 1990, o serie de tehnici fiind aplicate cu rezultate rezonabile

in unele situri poluate.

Fitoremediere-Rolul geneticii

Sistemul planta-sol-poluant este determinat de o combinatie complicata

de factori chimici ,biochimici,fizici si biofizici care pot juca un rol important in

in determinarea solutiei ce vizeaza o anumita problema de fitoremediere.

Programe de reproducţie şi a ingineriei genetice sunt metode puternice

pentru îmbunătăţirea capacităţii de fitoremediere naturala, sau pentru

introducerea de noi capabilităţi în plante.

Genele pentru fitoremediere pot proveni dintr-un microorganism sau

pot fi transferate de la o plantă la un alt soi mai bine adaptat la condiţiile de

mediu. De exemplu, genele de codificare a unui nitroreductator de la o

bacterie au fost incluse în tutun şi a arătat eliminarea mai rapidă a TNT şi

rezistenţă sporită la efectele toxice ale TNT .

Cercetatorii au descoperit, de asemenea, un mecanism în centralele care

le permite să se dezvolte chiar şi atunci când concentraţia de poluare în sol

este letală pentru non-tratate cu plante. Permite plantelor de a tolera

concentraţiile de poluanţi de 500 de ori mai mare decât plantele netratate,

precum şi de a absorbi poluanţi mai mult.(www.sciencedirect.com)

Contaminarea solului cu metale grele

Contaminarea solului cu metale in urma diverselor activitati industriale

este la ora actuala o problema majora de mediu in intreaga lume. Datorita

interactiilor intre diferitele compartimente de mediu contaminantii din sol se

redistribuie in toate compartimentele de mediu cu implicatii asupra bunei

functionalitatii a sistemelor biotice naturale si starii de sanatate umana.  

Modul in care metalele se distribuie si transformarile suferite  depind de

proprietatile fizico-chimice ale metalelor  si de  parametrii de mediu.

Chimia metalelor in  mediu influenteaza in mod puternic starea lor  si efectele

pe care le au asupra receptorilor umani  si ecologici

Toxocinetica si toxodinamica metalelor depinde de metal, de forma sau

compusii  metalului, si de abilitatea organismului de a regla sau stoca metalul. 

De fapt, metalele grele au o toxicitate semnificativă pentru om, animale,

plante şi microorganisme.

Mai mult decât atât, metalele grele, nu sunt supuse unor procese de

degradare şi, prin urmare, rămân practic la infinit în mediu, cu toate că

biodisponibilitatea acestor substanţe chimice pot schimba considerabil în

funcţie de interacţiunile lor cu elementele constitutive de sol diferite.

Printre tehnologiile de reabilitare cea mai răspândită in depoluare

solului contaminat cu metaleste fitoremedierea in situ cu costuri

mici ,tehnologie de impact care a primit o atentie primordiala in ultimii

cincisprezece ani, datorită naturii sale ecologice.

Fitoremedierea solului contaminat cu metal include două procese

principale:

Fitostabilizarea - care constă în imobilizarea de metale în sol sau de

rădăcini, reducând astfel mobilitatea lor şi biodisponibilitatea.

Fitoextractia - care identifică procesul de absorbţie a contaminanţilor

din sol şi translocarea lor din rădăcini în porţiunea deasupra solului din

plante.

Avantaje: Principalul avantaj al fitoextractiei este mediul. Metodele

tradiţionale, care sunt utilizate pentru curatarea solului contaminat cu metale

grele perturba structura solului şi reduce productivitatea solului, în timp ce

fitoextractia poate curăţa solul, fără a provoca nici un fel de dauna calităţii lui.

Un alt avantaj al fitoextractiei este faptul că este mai puţin costisitoare decât

orice alt proces.

Dezavantaje: Deoarece acest proces este controlat de plante, este nevoie

de mai mult timp decât au nevoie alte metode.

Pentru a atinge o buna eficienta a fitoremedierii, plantele ar trebui să

acumuleze cantităţi mari de metale grele, şi trebuie sa produca o cantitate

mare de biomasă în condiţii de contaminare.

Utilizarea de hyperaccumulators erbacee, selectat de specii lemnoase,

care sunt rezistente la metal şi au un ritm rapid de creştere, un sistem cu

rădăcină adanca , poate fi benefică pentru depoluarea solului. Cu toate acestea,

doar câteva studii sunt prezente în literatura de specialitate, cele mai multe

dintre ele sunt cu privire la utilizarea de plop si salcie pentru solul poluat cu

cadmiu.

Multe plante, cum ar fi instalaţiile de muştar, pennycress alpine şi talpa-

gâştei s-au dovedit a fi de succes la hiperacumularea contaminanţilor la sit-uri

de deşeuri toxice.

Pennycress alpine

Planta ce are rolul de a tolera şi de a ridica toxinele din sol. Pennycress

alpine poate absorbi nivele ridicate de cadmiu şi zinc din sol.

Atunci când compostul este aplicat la sol contaminat în cazul în care

pennycress alpin este cultivat, fitotoxicitatea scade chiar mai mult.

Indiferent de mecanism, efectul a fost documentat într-o serie de studii. In

anul 1997 studiul a folosit pennycress alpine, pentru a elimina zinc şi cadmiu

de pe un site puternic contaminat din Pennsylvania.

Principalele surse de poluare cu plumb si cadmiu in Romania sunt

industria metalurgiei neferoase (Copsa Mica, Baia Mare, Zlatna)

Plumbul este unul din metalele grele, in jurul caruia sunt multe discutii

si el, conform hotararii organizatiei internationale de ocrotire a sanatatii, este

atribuit primilor indici de evaluare a poluarii mediului ambiant.

Pentru decontaminarea unui sol contaminat cu plumb se poate folosi cu

bune rezultate o cultura de Brassica juncea in conditiile administrarii de

amendamente sintetice de tipul EDTA. Concentratiile de plumb in tesuturile

plantelor sunt direct proportionale cu concentratiile de plumb din sol. EDTA

(acid etilen diamino tetraacetic) poate deasemenea sa imbunatateasca

acumularea de Cd,Cu, Ni si Zn.Pentru solurile contaminate cu plumb se mai

pot folosi culturi de Pisum Sativum (mazare) si porumb (Zea Mays).

Brassica Juncea Pisum Sativum Zea Mays

Pentru solurile contaminate cu uraniu se pot utiliza ca amendamente

acizi organici de tipul: acid citric,acid acetic,acid malic.

Acidul citric are capacitatea cea mai buna de a mobiliza uraniul din sol si

de a determina absorbtia acestuia in tesuturile plantelor de Brassica juncea.

Toxicitatea acestor metale ca si a cromului, seleniului si arseniului,

manifestata asupra plantelor ,poate fi redusa prin reactii chimice de reducere

si prin incorporarea elementelor din structura unui compus organic.

Acumularea metalelor in frunzele plantelor nu este un proces ce se

desfasoara in mod omogen.De exemplu ,concentratia de Ni in plantele de

Thlaspi montanum este variabila in functie de tipul de tesut in care se

acumuleaza.

Plantele din familia Arabidopsis ,Nicotina tabacum au o buna toleranta

la ionii metalici dar mai ales la Zn.