Kapradina milující arzen

V litosféře je arzen stopovým prvkem. Jeho průměrný obsah bývá zhruba 3 mg/kg, avšak jeho množství v horninách je různé, obvykle se pohybuje od 1 do 10 mg/kg. Do půdy se arzen dostává:

• ze zvětrávající podložní horniny, v níž se rozpouštějí horninotvorné minerály obsahující arzen (převážně jde o sulfidy – pyrit, arzenopyrit a löllingit),
• z atmosféry v průmyslových oblastech, např. v okolí hutí či cementáren,
• z herbicidů a dalších chemických látek používaných v zemědělství či lesnictví.

V důsledku těchto vstupů jsou půdy zamořené arzenem velmi rozšířené po celém světě. V některých oblastech jsou koncentrace arzenu v půdě až desetitisícinásobně vyšší, než je obvyklé. Podzemní vody v takových územích pak silně ovlivňují zdraví celého biologického společenstva včetně člověka. Dlouhodobé pití vody se zvýšenými koncentracemi arzenu (viz Vesmír 75, 204, 1996/4, 75, 247, 1996/6, 76, 190, 1997/4 aj.) může vyvolat zhoubné bujení (rakovinu kůže, plic, prostaty, močového měchýře apod.) či podpořit vznik chorob kardiovaskulárních, reprodukčních, imunologických nebo neurologických, popřípadě různých vývojových poruch. O některých možnostech zneškodnění arzenu v půdách a vodách, které se obvykle v praxi používají, se již v tomto časopise diskutovalo (viz Vesmír 77, 323–326, 1998/6). Novou, ekonomicky nenáročnou a ekologicky šetrnou metodou je pěstování vybraných druhů rostlin, které vážou arzen ve své biomase.

Po arzenu roste jak z vody

Američtí ¹⁾ a čínští ²⁾ vědci nezávisle na sobě zjistili, že jednou z rostlin, jež absorbují arzen z půdy, je kapradina křídelnice (Pteris vittata). Tato rostlina (obrázek) byla prvním nalezeným hyperakumulátorem ³⁾ arzenu. Její mimořádná schopnost byla poprvé zjištěna v rezervaci centrální Floridy. Lesní porost této oblasti byl v letech 1952–1962 ošetřován vodným roztokem pesticidu typu CCA, ⁴⁾ a poté kontaminace půdy arzenem dosáhla přibližně 360 mg/kg (průměrná koncentrace arzenu ve floridských půdách činí 0,42 mg/kg). Ze 14 různých druhů rostlin odebraných v kontaminované oblasti významně akumulovala arzen právě jen křídelnice. Chemickou analýzou usušené biomasy této kapradiny se zjistilo, že v nadzemních částech obsahuje 3280–4980 mg arzenu na kilogram. Později se odebíraly další vzorky jak z rostlin rostoucích v neznečištěných půdách (obsahujících 0,47–7,56 mg/kg), tak (znovu) z rostlin v půdách kontaminovaných arzenovým pesticidem (18,8–1603 mg/kg). Zjistilo se, že kapradina úspěšně akumuluje ve svém těle arzen nejen z kontaminované půdy, ale i z půd s normálními koncentracemi arzenu a že dosažené koncentrace v biomase křídelnice jsou tisícinásobně vyšší než u ostatních rostlin. Podobné výsledky zjistila skupina čínských vědců zkoumající vstupy arzenu do téže kapradiny na opuštěném sulfidickém ložisku Šimen v jižní Číně. Ukázalo se, že vlivem vysokých koncentrací arzenu netrpí tato rostlina nemocemi, ale naopak velmi dobře prospívá. Nejenže je křídelnice schopna růst i na místech s koncentracemi arzenu až 23 400 mg/kg (např. na haldovém materiálu zmíněného čínského ložiska), ale také může během krátké doby akumulovat velké množství arzenu z půdy ve svých listech.

V listech má arzenu nejvíc

Koncentrace arzenu v listech křídelnice rostoucí v půdě s mimořádně vysokým obsahem arzenu 1500 mg/kg vzrostla během dvou týdnů z původních 29 na 15 861 mg/kg. Za tutéž dobu však obsah arzenu v listech kapradiny rostoucí v „čisté“ půdě (6 mg/kg) vzrostl na 755 mg/kg, což svědčí o mimořádné akumulační schopnosti této rostliny. Zjistilo se také, že nejnižší koncentrace arzenu bývá v kořenech, střední ve stonku a nejvyšší v listech (obrázek). To znamená, že transport arzenu v rostlině je rychlý a snadný. Pokud se obsah arzenu v normální půdě během experimentů zvyšoval na výslednou koncentraci 100 mg/kg, rostla kapradina rychleji a výsledkem byl až 40% nárůst biomasy oproti normálu (viz obrázek).

Arzen je v rostlině přítomen zejména v toxických (trojmocných) anorganických sloučeninách a jen malá část je vázána do organických forem. Vše nasvědčuje tomu, že se do anorganických sloučenin arzen transformuje již během přenosu z kořenů do listů, kde se ukládá až 93 % veškerého arzenu (obrázek). Schopnost rostliny hromadit arzen se projevuje i při výskytu nesnadno rozpustných sloučenin arzenu v půdě (v takových případech hromadí ve svých listech oproti půdě až šestkrát více arzenu). Křídelnice roste převážně v oblastech s mírným klimatem, v USA se jí nejvíce daří v jihovýchodní a jižní Kalifornii, v Evropě je známa z Tunisu. Je poměrně otužilá a přizpůsobivá, má ráda slunná místa, což je pro kapradiny netypické, a alkalická prostředí, v nichž je často koncentrace arzenu zvýšená. Dorůstá do značných velikostí (bývá vysoká 30–90 cm, její listy jsou 25–60 cm dlouhé a 13–25 cm široké) a velmi rychle se rozmnožuje. Ze spor nebo oddenků jedné rostliny je možné získat během sezony tisíce dalších rostlin. Je to víceletá rostlina, a proto ji lze po vysazení na určité místo sklízet každý rok.

Poslouží kapradiny k vyčištění půdy?

V roce 2000 byl v oblasti Ron Phibun v jižním Thajsku objeven druhý rostlinný hyperakumulátor arzenu, ⁵⁾ kapradina Pityrogramma calomelanos (v anglicky mluvících zemích se ji říká silver fern, tedy stříbrná kapradina). Vzorky této kapradiny byly sebrány v půdě s koncentrací arzenu 135–510 mg/kg. Obsah arzenu měla (stejně jako křídelnice) v listech mnohem vyšší než v kořenech. Také v kapradině Pityrogramma calomelanos je arzen přítomen převážně v anorganických sloučeninách a podobně se odlišují i jeho formy v různých částech rostliny (v listech tvoří zejména sloučeniny s trojmocným arzenem a v kořenech s arzenem pětimocným).

Objev rostlin s mimořádnou schopností hromadit arzen ve své tkáni přináší nové možnosti zneškodnění arzenu v půdách. K tomu, aby taková metoda byla efektivní, je však třeba plně pochopit procesy kontrolující absorpci a přemísťování kovů z půdy do rostlin. Poznání těchto procesů může být podnětem pro genetické inženýrství, které by například mohlo absorbční vlastnosti kapradin milujících arzen ještě zvýšit.

/Děkuji Lene Q. Ma za poskytnutá data./