Как растения и бактерии могут очистить Землю
Вы когда-нибудь видели, как из машин валит черный смог? Или замечали неестественную маслянистую пленку на лужах на парковках? Люди загрязнили практически каждый уголок нашей планеты, и большая часть этого загрязнения незаметна для наших глаз. К сожалению, Земля страдает от последствий этого загрязнения. Но недавно ученые нашли простой способ вернуть загрязненным почвам здоровье. В этой статье мы расскажем о том, как растения и бактерии объединяются, чтобы восстановить наш загрязненный мир!
Что такое рекультивация?
Годы безответственной деятельности человека привели к загрязнению нашей планеты агрессивными химическими веществами. Когда эти химикаты оседают в земле, удалить их очень сложно. Эти загрязнители представляют собой огромную угрозу для здоровья людей и дикой природы. Трихлорэтилен (ТХЭ) - это химический загрязнитель длительного действия, который просачивается в почву и грунтовые воды с производственных площадок, где он используется в качестве обезжиривающего средства. Известно, что ТХЭ вызывает рак, поэтому Агентство по охране окружающей среды США считает его первоочередной задачей по очистке [ 1 ].
Что мы делаем для решения этой проблемы? Один из популярных методов - земляные работы, при которых загрязненную почву буквально выкапывают из земли с помощью больших строительных машин. Если загрязнены грунтовые воды - слой воды под поверхностью почвы, - используются насосы, чтобы выкачать воду и очистить ее. Эти методы очень дороги. По оценкам Агентства по охране окружающей среды, очистка всех загрязненных ТХЭ участков в США обойдется в 2,5 миллиарда долларов! Кроме того, обычные методы обеззараживания наносят большой ущерб окружающей среде. Например, выкапывание загрязненной почвы и перемещение ее в другое место, подальше от людей, может снизить риск для человека, но экологическая проблема не будет решена, она просто переместится в другое место. Однако существуют альтернативные методы очистки загрязняющих веществ. У матушки-природы есть множество хитростей в рукаве, и ученые научились использовать эту силу. Биоремедиация - это использование живых организмов для уничтожения загрязняющих веществ. Один из видов биоремедиации известен как фиторемедиация, которая использует естественную способность растений выводить токсины из почвы. Именно так, некоторые растения могут очищать загрязнения!
Не все растения одинаково хорошо усваивают загрязняющие вещества, и если загрязняющего химиката будет слишком много, он может погубить растение [1]. Чтобы избежать этого, ученые остановились на тополях, поскольку они быстро растут (три метра в год), имеют много длинных корней и могут медленно разрушать TCE [ 2 ]. Тополя можно назвать супергероем среди всех деревьев. Тем не менее, в некоторых загрязненных местах концентрация TCE слишком высока, чтобы с ней могли справиться даже тополя. Но с помощью особых бактерий проблема может быть решена.
Бактерии помогают растениям очищать окружающую среду
Как крошечная бактерия может помочь большому дереву? Ученые обнаружили особый вид бактерий, известный как эндофит. Эндофит - это бактерия или гриб, который живет внутри растения и вступает с ним в симбиотические отношения. Эта концепция похожа на полезные бактерии, которые живут у нас с вами в кишечнике. Используя несколько различных механизмов, эндофиты помогают растениям переносить различные стрессы, такие как засуха и соленая почва. Некоторые эндофиты даже могут снабжать своих хозяев необходимыми питательными веществами. В свою очередь, растения предлагают эндофитам сахар, который они получают в процессе фотосинтеза, и безопасное место для жизни.
Бактериальные эндофиты могут жить практически в любой части растения. Прежде чем перебраться в новый дом, эндофиты поселяются в почве и должны приложить немало усилий, чтобы найти растение, в котором они могли бы жить. Они могут чувствовать соединения, выделяемые корнями растений, чтобы направить свой путь к потенциальному растению-хозяину. Вспомните полицейскую собаку, обнюхивающую дорогу к лакомству. Добравшись до растения, эндофиты проникают в него через трещины в корнях [ 3 ].
Но как быть с проблемой TCE? Мы использовали специальный бактериальный эндофит, известный как PDN3, поскольку он был получен из тополя и мог расти в сверхвысоких концентрациях TCE [ 4 ]. Бактерия PDN3 была помечена зеленым цветом (рис. 1), поэтому ученые могли использовать специальный микроскоп, чтобы убедиться, что эндофит может попасть в растение. Следующим шагом было внедрение PDN3 в деревья тополя. Для этого нужно было просто замочить несколько тополиных палочек в ведре с бактериальным раствором. Затем палочки воткнули в землю на участке, загрязненном TCE. Другая группа палочек, называемая контрольной, также была воткнута в землю, но не была добавлена в бактериальный раствор. Наблюдая за деревьями с PDN3 и контрольными деревьями, биологи могли понять, помог ли PDN3 деревьям очистить землю от загрязнения TCE. Посмотрите на фотографию на рисунке 2. Как вы думаете, помогли ли бактерии деревьям?
Что такое фиторемедиация с помощью эндофитов?
Мы видим, что деревья с добавленными эндофитными бактериями выглядят более крупными и здоровыми, чем контрольные деревья без PDN3. Но помогли ли эти бактерии решить проблему TCE? Ученые собрали несколько доказательств того, что партнерство бактерий и деревьев сработало. Через 3 года после посадки деревьев грунтовые воды ниже по течению практически не содержали следов TCE. То есть деревья впитывали загрязненную воду, но не выглядели больными, как контрольные деревья. Ученые проверили состояние деревьев и выяснили, что в тканях деревьев, получивших PDN3, содержалось меньше TCE, чем у контрольных тополей. Это означает, что поглощенный деревьями TCE был разрушен внутри деревьев с помощью их друга-эндофита. Когда ТХЭ разрушается, выделяется хлорид (поскольку ТХЭ - это три-хлор-этилен). Как оказалось, в почве вокруг деревьев PDN3 было много хлорида. Другими словами, эндофиты помогли тополям достичь большего количества TCE и расщепить его. Этот процесс, в котором растения и эндофиты работают вместе в восстановительных целях, называется фиторемедиацией с помощью эндофитов.
Теперь мы знаем, что бактериальный эндофит помог тополям решить проблему загрязнения TCE, но ученые все еще задаются вопросом, как именно он работает. Поскольку бактерия сама по себе может очень хорошо расщеплять TCE, мы знаем, что эндофит имеет специальные ферменты для этого. Но эндофиты также приносят много пользы растениям-хозяевам, и все они могут способствовать лучшему удалению загрязнений. Например, эндофиты, такие как PDN3, могут вырабатывать растительные гормоны, которые заставляют растения пускать больше корней. Корни начинают быстро расти и могут быть длиннее и плотнее, чем у деревьев без PDN3. В результате растения, содержащие PDN3, могут извлекать из земли больше питательных веществ. Тополя, содержащие PDN3, также могут расти глубже и, возможно, достигать загрязненных регионов, которые раньше были недостижимы.
Движение вперед
Это открытие способно изменить подход к очистке загрязненной окружающей среды. Фиторемедиация с помощью эндофитов намного дешевле обычных методов, она очень эффективна и полезна для окружающей среды. Кроме того, она приносит пользу как дикой природе, так и людям. Но поскольку открытие фиторемедиации с помощью эндофитов является настолько новым, мир по-прежнему использует в основном обычные методы. Здоровье нашей планеты зависит от того, как мы к ней относимся, и мы обязаны исправить ошибки прошлых поколений. Мы должны определить будущее нашего мира, принимая правильные решения о том, как мы управляем окружающей средой. Используя микроорганизмы в растениях и полагаясь на естественные методы, мы можем сделать Землю лучшим домом для всех.
