A talaj kémiaiterhelés-mentesítése fitomineralizációval
A bioabszorpció egyik ága a növények által történő, ionosan oldott kémiai elemek felvétele. A biokémiai (sejtmembrán-diffúzió) és biofizikai (háncsedényekben történő szállítás) folyamatok főként a makro- és mikrotápanyagok felvételét jelentik. A növények azonban a hasonló kémiai tulajdonságú ionokat (pl. Ca2+ és Sr2+) nem különböztetik meg, így azokat is felveszik, és a biomasszában eltárolják.
A tápelemekből gyakran a szükséges mennyiségnél többet vesznek fel, ha a gyökérzóna mikrobiológiai és kémiai körülményei ezt lehetővé teszik – például túltelített talajoldat esetén. Ez mérgező hatásokhoz is vezethet, amelyek a növények fejlődésében és külső megjelenésében is megmutatkoznak, például növekedésbeli hiányosságok vagy levélperemek barnulása esetén.
Biomineralizáció: kristályképződés a növényi szervezetekben
A biomineralizáció az a folyamat, amely során élő szervezetek szerves vagy szervetlen kristályos anyagokat választanak ki. Ezek lehetnek:
- biológiai funkcióval bírók (pl. csigaház aragonitja, CaCO3; gerincesek apatitváza),
- semleges képződmények (pl. kalcit: CaCO3),
- patologikus kristályok (pl. vesekő: whewellit – CaC2O4·H2O).
Bár a növények esetében ritkábban találkozunk ezeknek a kristályképződési folyamatoknak a kutatásával, a gyakorlatban igenis gyakori jelenség. A szerves biomasszában kötött kémiai elemek mennyiségén felül akár funkcionális részekként, akár tápanyagtartalékként kristályos anyagok, kristályok képződnek, főként a sejtközi térben (1. kép).
Fitomineralizáció: kristályos elemek dúsulása a növényekben
Azokat a biológiai folyamatokat nevezzük így, amelyek során a növények kemény szöveti részei és a sejtközi tér szerves vagy szervetlen kristályos anyagok dúsulásban halmozódnak fel (2. kép).
A jelenség általában természetes, nem patológiai, és külső fizikai vagy kémiai hatással serkenthető bizonyos fokig, amikor is a növényeken a rossz anyagcsere-folyamatok bélyegei fognak jelentkezni, pl. a levélperemek sárgulása vagy a háncsedényekben gazdag részek hasadása, szétrepedése. Ez a jelenség a növény- és gyümölcstermesztésben nagyon nemkívánatos, de ellenkező esetben – ha a célunk kémiai elemek maximális rögzítése a biomasszában – azt jelenti, hogy az alkalmazott növény legnagyobb hatásfokkal vette fel és kristályosította ki a kémiai elemeket. És mivel a növények kémiai elemek iránti szelektív affinitását évezredek óta ismerjük, így akár szelektíven is tudunk olyan ásványi anyagokat kinyerni, amelyekhez egyébként csak bányászattal jutnánk hozzá.
Természetesen nem az arany vagy ezüst bányászatára kell itt gondolni, hanem a mezopotámiai üvegtechnológia kifejlődésére: alkáli sótelepek hiányában a szikes mocsarakban termesztett sótűrő növények hamuját használták az üvegolvasztáshoz kb. ötezer éve. A növényi hamuk mezőgazdasági és egyéb alkalmazásai részévé váltak az emberiség történetének, majd az ipar fejlődésével egyre jelentősebb problémává váló kémiai környezetszennyezés részleges megoldásai közé is emelkedtek. Azokat az alkalmazásokat, amikor szennyezett talajok, talajvizek tisztítására használunk növényeket, fitoremediációnak nevezzük.
Fitoremediáció és hiperakkumulátor növények
A fitoremediáció folyamatát évtizedek óta alkalmazza a modern környezetvédelem és kármentesítés, akár nehézfémek, szennyező kémiai elemek felvételére, akár szerves szennyezők elbontására. Az egyes kémiai elemekre, általában toxikusokra is, léteznek növényfajok, melyek ellenállók, vagy éppenséggel nutriensként veszik fel azokat akár nagy mennyiségben is. Ezeket a növényeket hiperakkumulátor típusoknak nevezzük. A koriander (Coriandrum Sativum) az egyik jól ismert hiperakkumulátor, kifejezetten a toxikus nehézfémeket veszi fel és tárolja, száraz biomasszára számolva (mg/kg) kadmiumból 1–2, arzénből 1–15, ólomból akár 300 (doi.org/10.1007/s13205-017-0794-6).
A túlzott műtrágyázás elemei
Ha a fitoremediáció alkalmazását kifejezetten környezetvédelmi kármentesítési folyamatként értelmezzük, amibe nem feltétlenül tartozik bele egy elhibázott műtrágyázási stratégia eredménye, akkor az utóbbi probléma orvoslására a fitomineralizációt használhatjuk. A takarónövények megfelelő kiválasztásával, persze nem rövid idő alatt, segíteni lehet a nutriensek egyensúlyban tartását. További probléma az NPK, de akár szerves trágyák túlzott használata esetén is az oldódó szulfát, nitrát és ammónium elszivárgása, a talaj-, réteg- és akár ivóvízbázisok elszennyezése.
A napraforgó szerepe a fitomineralizációban
A szulfátanion felvételére és ásványi tárolására a napraforgónak is jó képessége van, lévén hogy kénigényű faj. A kationok közül legnagyobb mértékben a Ca-ot tudja mineralizálni, de a káliumnitrát-termelése is jelentős. Gyakran alkalmazzák szennyvíziszap és abból készített komposztreceptúrák kiszórást megelőző előkezelésére, éppenséggel a szulfát, nitrát és nehézfémek koncentrációjának csökkentésére, eloszlásának homogenizálására. A napraforgó-biomassza, főként a maghéj hamuja kiváló műtrágya-helyettesítő anyag – köszönhetően a nagy mennyiségű és széles változatú kémiai elemeknek, amelyeket felvesz, és mineralizált formában eltárol (3. kép).
Nitrátmegkötés: a zab mint hiperakkumulátor
A nitrát szervetlen kristályos formában való tárolására a legtöbb növény képes, amennyiben a K és NO3 túlzott mennyiségben van jelen a talajoldatban. A biológiai funkcionalitással ellentétben nem a gumós, nagy nitrogénigényű fajok tudnak szervetlen nitrátot kiválasztani, hanem a gabona és fűfélék. A zab kifejezetten nitrát-hiperakkumulátor, hosszút távú (19 év, doi.org/10.1016/j.agwat.2023.108481) kísérletekben is igazolták, hogy a talajoldatban jelenlévő N-források elszivárgását több mint 50%-kal csökkenti.
Legjobb nitrátrögzítő eredmények a zab-takaróvetés és kukoricatermény kombinációval érték el, míg szójabab vetésével kevésbé volt jó a hatásfok. A kontroll parcellák alapján a 18 év alatt hektáronként 655 kg N veszett el, amiből 314 kg/ha a 9 évet kitevő szójababévekben tűnt el.
Az alkáliák, főként Na és K felhalmozódása szikesedési folyamatokat indíthat el, só típusú ásványok kiválását idézve elő, szervestrágyázás esetén nemcsak szulfátok, hanem kloridok képződésével is, amelyek között a kősó (NaCl) vagy vegyes kationtartalmú kloridok is megjelenhetnek. A problémát főként a mobilis, kicserélhető Na jelenléte okozza, mivel ezt az iont csak a sótűrő növények képesek makronutriensként felvenni. A takarónövények között az árpa Na-felvevő képessége kiemelkedő, ellenőrzött kísérletekben genotípusonként változó arányban a magok 500 és 4000 mg/kg, a száraz biomassza pedig 5 és 20 g/kg Na-ot képes tárolni (doi.org/10.1038/s42003-020-09905). A magas arányú klór felvételére is több növényfaj alkalmas a biológiai funkciók károsodása nélkül, például a levendula a szulfátos mineralizáció összetételébe beépítve (4. kép), nehézfémekkel együtt.
Nehézfémek szelektív eltávolítása növényekkel
Nehézfémek kivonására és megkötésére ipari léptékben is alkalmazzuk a fitoremediációt, bár ezek esetében a mineralizáció nem érhető nyomon, lévén a kémiai elemeknek alacsony koncentrációja. A vadrizs preferenciálisan a Pb, Zn, Cu és Cd fitoabszorbciójára alkalmas, a cirokhoz hasonlóan. A napraforgó a hat vegyértékű króm, a vadkender minden krómion felvételére hiperakkumulátor, míg a rezet szelektíven a körömvirág veszi fel. A legtöbb toxikus nehézfém egyben esszenciális mikrotápelem is, amelyeket nagyon precízen megtervezett műtrágyázással próbálunk a növények számára kijuttatni. Holott egy jól megtervezett takarónövény-biomassza termeléssel akár helyben, akár rekultivációs területről talán épp a megfelelő koncentrációban, szerves hordozóba ágyazva tudnánk előállítani azokat, a vegyi üzemek helyett.
Dr. Kristály Ferenc
Miskolci Egyetem
