Rosną i oczyszczają. Dr Wójcik z UMCS tłumaczy, co potrafią rośliny

• Na początek wyjaśnijmy: Co to jest fitoremediacja?

– To szerokie pojęcie obejmujące różne technologie oczyszczania środowiska za pomocą roślin. W zależności od rodzaju zanieczyszczeń, możemy je usuwać z gleby (np. metale ciężkie stosując fitoekstrakcję, związki organiczne, np. ropopochodne poprzez fitodegradację) lub z zanieczyszczonej wody (wody powierzchniowe – rizofiltracja, wody podziemne – fitohydraulika).
Jeżeli nie da się zanieczyszczeń usunąć, można je ustabilizować w środowisku, aby zapobiec ich rozprzestrzenianiu się (fitostabilizacja).

Na przykład z hałd odpadów węglowych lub z wydobycia i przetwórstwa rud metali na Górnym Śląsku zanieczyszczenia są zwiewane przez wiatr lub spłukiwane przez deszcze na przyległe tereny, dlatego pokrycie takich hałd roślinnością eliminuje ten problem. Najczęściej jednak słowo fitoremediacja jest utożsamiane z pobieraniem zanieczyszczeń przez rośliny z gleby, a następnie takie rośliny są usuwane ze środowiska, obniżając w ten sposób poziom zanieczyszczeń w glebie

Na przykład tereny wokół wspomnianych wyżej hałd, ze względu na wysoki poziom zanieczyszczeń, nie powinny być użytkowane rolniczo. Rośliny hodowane na takich terenach byłyby dla ludzi toksyczne. Chodzi więc o to, by uprawiać tu inne rośliny szybkorosnące o dużej biomasie. Roślina pobiera z gleby wodę razem ze wszystkim co jest w tej wodzie rozpuszczone, w tym zanieczyszczenia.

• Roślina działa jak przepompownia?

– Tak można powiedzieć: przepompowuje przez siebie wodę. A 99 proc. wody, którą pobierze z gleby, wyparowuje przez liście. Z kolei wszystko, co pobrała z wodą, zatrzymuje w sobie. Więc gdy w sezonie wegetacyjnym roślina szybko rośnie i osiąga dużą biomasę, jak np. kukurydza czy słonecznik, to pobiera sporo zanieczyszczeń. Trzeba ją tylko ściąć i wywieźć. Razem z biomasą wywozimy zanieczyszczenia pobrane z gleby. Zabieg potarzamy co rok i w ten sposób, sukcesywnie, poziom zanieczyszczeń w glebie się obniża.

Pierwsze zadanie w projekcie „GOLD” dotyczy optymalizacji wzrostu trzech wybranych gatunków roślin, aby osiągnęły jak największą biomasę i pobrały jak najwięcej zanieczyszczeń.

• A co dzieje się z tą zebraną biomasą?

– Tego dotyczy druga część naszego projektu. W zależności od tego, jak dużo zanieczyszczeń zostało zakumulowanych w roślinie, można taką roślinną biomasę różnie wykorzystywać. Jeśli poziom zanieczyszczeń jest bardzo wysoki, to np. można zebrać i spalić. Wtedy z hektara mamy garstkę popiołu, który trzeba potem przechowywać jako odpad toksyczny lub można wykorzystać do odzysku metali lub do produkcji katalizatorów stosowanych przemyśle chemicznym.

Można również, stosując odpowiednie zabiegi fizyczne – wysoką temperaturę i ciśnienie – zeszklić taki materiał, zamienić w coś twardego jak kamień. Widziałam np. spinki do mankietów wykonane z takiej zeszklonej zanieczyszczonej biomasy.

Inny sposób, przy nie tak wysokim poziomie zanieczyszczeń w roślinie, to wykorzystać biomasę jako opał do wytwarzania energii cieplnej lub elektrycznej, albo do produkcji biopaliwa. Wtedy trzeba oddzielić zanieczyszczenia w procesie technologicznym, żeby otrzymać czyste biopaliwo.

• Wasz projekt ma właśnie połączyć te dwa etapy.

– Tak, oczyścić teren za pomocą fitoremediacji. A następnie opracować technologię produkcji czystego biopaliwa z zanieczyszczonej biomasy. W pierwszym etapie zanieczyszczona biomasa zostanie poddana pirolizie i gazyfikacji, w wyniku czego powstanie zeszklony popiół zawierający toksyczne zanieczyszczenia metaliczne oraz syngaz.

W drugim: gazowy produkt zostanie przekształcony w czyste płynne biopaliwo. Biopaliwo produkuje się z takich roślin energetycznych, jak np. Miskant – duża trawa podobna do trzciny, proso, czy wspomniana wcześniej kukurydza lub słonecznik.

• Ile sezonów wegetacyjnych jest potrzebnych, by oczyścić skażoną glebę?

– W zależności od poziomu skażenia kilkanaście, albo nawet kilkadziesiąt lat, by nadawała do upraw rolniczych. Fitoremediacji (w znaczeniu fitoekstrakcji) nie stosuje się do oczyszczania hałd odpadów metalonośnych, tutaj stosuje się fitostabilizację. Fitoremediacji można poddać teren dookoła hałdy, dookoła huty czy kopalni, o niskim do średniego poziomie zanieczyszczeń. 

Mówimy też o zanieczyszczeniach ropopochodnych wokół zakładów przemysłowych czy terenach użytkowanych przez przemysł paliwowy. Pobierane z gleby zanieczyszczenia organiczne rośliny metabolizują do nietoksycznych związków. Pierwszy aspekt naszego projektu to tak optymalizować uprawy, żeby zmusić rośliny do tego, by szybciej rosły i były jeszcze większe, a także pobrały więcej zanieczyszczeń. Po to, by cały proces oczyszczania trwał krócej. Krócej niż te 30 lat.

• Jak można je do tego zachęcić?

– Jeden ze sposobów to stosowanie odpowiednich nawozów. Ale trzeba pamiętać o tym, że niektóre nawozy owszem przyspieszają wzrost, ale zarazem zwiążą w glebie zanieczyszczenia i stają się one dla roślin trudno dostępne. Trzeba więc dobrać odpowiedni rodzaj nawozu. Nad tym też będziemy pracować.

Wzrost roślin przyspieszają też inne biostymulanty dodawane doglebowo lub dolistnie. Takimi biostymulantami mogą być np. mikroorganizmy.

Rośliny, podobnie zresztą jak zwierzęta i ludzie, mają w swoich organizmach bardzo wiele mikroorganizmów. W ciele dorosłego człowieka mikroflora stanowi ok. 1,5 kg. Od niej należy nasze trawienie, nasza odporność czy nasz nastrój. Rośliny też są środowiskiem życia mikroorganizmów. Uważa się nawet, że w roślinach jest więcej komórek mikroorganizmów niż komórek roślinnych.

Odgrywają one ogromną rolę, bo, m.in. wspierają metabolizm rośliny. Można więc wykorzystać mikroorganizmy, które np. bytują blisko korzeni i wydzielają związki stymulujące wzrost roślin. Lub też sprawiają, że roślina jest bardziej tolerancyjna na zanieczyszczenia.

Mikroorganizmy mogą też sprawić, że zanieczyszczenia będą dla roślin mniej toksyczne. Szkodliwe związki będą się osadzały nie w samej roślinie, ale w bytujących w niej mikroorganizmach.

Znane są na przykład mikroorganizmy żywiące się związkami ropopochodnymi w glebie. Naukowcy z grupy prof. Jaco Vangronsvelda wyizolowali takie szczepy, a następnie podlewali zagęszczonymi kulturami bakterii topole, posadzone w miejscu wycieku ropy przy fabryce Forda. Bakterie wniknęły do wnętrza roślin i prowadziły tam rozkład pobranych razem z wodą związków ropopochodnych.

• W opisie waszego projektu wymienione są trzy gatunki roślin. Proso, miskant i konopie przemysłowe.

– Proso rózgowe, konopie przemysłowe i miskant to rośliny energetyczne, czyli o dużym i szybkim przyroście biomasy, które są tolerancyjne na zanieczyszczenia. Początkowo rozważano kilka innych gatunków energetycznych, ale po dyskusjach w gronie 20 partnerów projektu z Europy i Azji wybrano do badań cztery gatunki (dodatkowo sorgo), a każdy z partnerów będzie testował trzy gatunki, najlepiej przystosowane do jego strefy klimatycznej.

• Jak długi jest wasz projekt?

– Cztery lata. Poletko doświadczalne będzie na Górnym Śląsku. Mamy wstępne deklaracje z dwóch gmin, na terenie których znajdują się zanieczyszone tereny, które pasowały do założeń projektu. Na wiosnę pojedziemy je zobaczyć i dokonamy ostatecznego wyboru.

Następnie zebrana biomasa zostanie wysłana do Holandii i do Niemiec, gdzie wyspecjalizowane w tym temacie firmy będą sprawdzały, czy z biomasy wyprodukowanej w Polsce, Grecji, Francji, we Włoszech, w Chinach i w Indiach da się wyprodukować czyste biopaliwo. Czy da się wyizolować z nich zanieczyszczenia, które w takim paliwie nie powinny się znaleźć.

• Czy to wszystko, o czym pani mówi, jest na etapie doświadczeń naukowych czy też gdzieś na świecie robi się takie rzeczy na dużą skalę? 

– Największe zastosowanie ma fitostabilizacja, gdzie wykorzystuje się rośliny nie tyle do usuwania zanieczyszczeń z gleby, ile do ich unieruchomienia, by się nie przemieszczały.

Należy pokryć zanieczyszczony teren, np. hałdę odpadów, zwartą pokrywą roślinną, chroniącą powierzchnię gleby przed dyspersją zanieczyszczeń przez wiatr. Z kolei gęsty system korzeniowy stabilizuje podłoże hałdy i spowoduje wytrącanie zanieczyszczeń i zatrzymywanie w glebie w strefie korzeniowej. To bardzo powszechna metoda fitoremediacji, stosowana również w Polsce. Nie jest to sensu stricte oczyszczanie, ale zapobieganie rozprzestrzenianiu się zanieczyszczeń.

Sama fitoekstrakcja też jest stosowana, choć nie na dużą skalę. Po pierwsze dlatego, że to bardzo długotrwały proces. Tak ja mówiłam – kilkadziesiąt lat.

W USA na terenach zanieczyszczonych niklem sieje się czy sadzi rośliny, które należą do tzw. hiperakumulatorów. To takie rośliny, które pobierają nawet tysiąc razy więcej niklu niż rośliny rosnące obok.

Ich biomasa zawiera nawet kilkanaście procent metalu i może być wykorzystywana jako bioruda. Taką biorudę, czyli spopielaną biomasę roślinną, dodaje się do zwykłej rudy w specjalnie dostosowanych piecach hutniczych i wtedy takie metale można odzyskiwać. Biomasę bogatą w metale można też wykorzystywać do produkcji katalizatorów. To takie produkty przyspieszające inne procesy technologiczne, stosowane np. w chemii organicznej.

• Przykład hiperakumulatora?

– Takich roślin na świecie jest niewiele, to niecałe 0,2 proc. wszystkich roślin wyższych. Dwa lata temu na liście było ponad siedemset gatunków. Myślę, że teraz to ponad osiemset. To gatunki, które potrafią pobierać i odkładać w swoich częściach nadziemnych bardzo duże ilości metali nie wykazując przy tym żadnych objawów toksyczności. To właśnie odkrycie hiperakumulatorów przyczyniło się do pomysłu rozwoju fitoremediacji.

• Nic, tylko je wszędzie sadzić...

– Problem polega na tym, że hiperakumulatory występują bardzo lokalnie. W Polsce praktycznie ich nie ma. Tzn. jest jeden gatunek, pojawia się bardzo sporadycznie na Górnym Śląsku – Arabidopsis halleri. Naprawdę trzeba wiedzieć, gdzie go szukać.

Są hiperakumulatory w Niemczech, Holandii, Czechach, ale zwykle są to bardzo małe rośliny – najczęściej badany występujący w Europie hiperakumulator, Noccaea caerulescens (tobołki alpejskie) jest wielkości fiołków, które na wiosnę pojawiają się na naszych trawnikach.

W Nowej Zelandii, w Nowej Kaledonii, na Filipinach spotyka się krzewy i drzewa, ale z kolei one bardzo wolno rosną. Więc nie ma idealnej rośliny do fitoekstrakcji. Albo roślina pobiera dużo związków, ale wolno rośnie (jak hiperakumulatory), albo rośnie szybko, ale pobiera ich mniej (jak rośliny energetyczne).

Dlatego poszukuje się optymalizacji uprawy roślin, które bardzo szybko rosną, produkują dużą biomasę, a przy okazji – pobierając substancje mineralne z gleby – pobiorą z gleby zanieczyszczenia. Najlepiej, żeby rośliny takie dawały biomasę 20 ton na hektar. Uważa się wtedy, że są odpowiednie do fitoekstrakcji.

Projekt „Bridging the gap between phytoremediation solutions on growing energy crops on contaminated lands and clean biofuel production” (Budowanie mostu między fitoremediacją opartą na uprawie roślin energetycznych na zanieczyszczonych terenach, a produkcją czystego biopaliwa) uzyskał finansowanie z Programu Horyzont 2020.

Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie jest partnerem projektu koordynowanego przez CRES - Centre For Renewable Energy Sources and Saving Fondation z Grecji.

Projekt będzie realizowany w dużym konsorcjum składającym się z 20 podmiotów z następujących państw: Grecja, Holandia, Niemcy, Chiny, Włochy, Francja, Portugalia, Wielka Brytania, Indie oraz Kanada.

Budżet projektu dla UMCS wynosi niemal 183 tysiące euro (blisko 830 tysięcy złotych). Realizowany będzie w Instytucie Nauk Biologicznych pod kierunkiem dr hab. Małgorzaty Wójcik, prof. uczelni i prof. Jaco Vangronsvelda (zatrudnionego w ramach programu Research in Lublin).