Aktuální číslo:

2018/2

Téma měsíce:

Bionika

Kapradina milující arzen

Rostlinný hyperakumulátor čistí zamořenou půdu
 |  10. 5. 2004
 |  Vesmír 83, 256, 2004/5

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./

Poznámky

1) Viz Ma L. Q. a kol., Nature 409, 579, 2001.
2) T. Chen a kol., Chinese Sci. Bull. 47, 902–905, 2002.
3) Termín hyperakumulátor poprvé použili R. R. Brooks, J. Lee, R. D. Reeves a T. Jaffre (J. Geochem. Explor. 7, 49–57, 1977) k popsání některých rostlin silně kumulujících nikl. Původně byl definován pro rostliny obsahující více než 1000 mg kovu na kilogram v usušené tkáni. V přírodě se ale vyskytují rostliny, které ve tkáni obsahují koncentrace kovu vysoké, avšak přesto znatelně nižší než v okolní půdě. Proto byla k definici hyperakumulátoru přidána podmínka, že rostlina hromadí kov v koncentracích oproti okolní půdě vyšších.
4) CCA – chemické hnojivo obsahující anorganický arzen, měď a chrom, které se od roku 1940 užívá k ochraně lesních porostů před škůdci, houbami a suchou hnilobou.
5) K. Francesconi a kol., Sci. Total Environ. 284, 27–35, 2002.

KYTKY LÉČÍ KRAJINU

O bylinkách je vcelku dobře známo, že pomáhají při léčbě nachlazení a mnoha dalších nemocí, filozofům občas způsobují bolení hlavy a zamilovaným slouží k posílání šifrovaných zpráv, kterým ve věku SMS již nikdo nerozumí. Rostliny se však dají rovněž využít při odstraňovaní kontaminantů z půd, a tím k léčbě krajiny.

Obsahy těžkých kovů a obecně toxických prvků představují vážný problém zejména ve starých důlních oblastech. Jednou z možností nápravy je fytoremediace, tj. biologické odstraňování kovů a dalších kontaminantů z půdního pokryvu pěstováním takových rostlin, které těžké kovy „vytahují“ z půdy a ukládají je ve svých tkáních. Vzniká tím pochopitelně problém co potom s kontaminovaným senem, ale určité řešení představuje např. spalování v cementárnách, kde jsou stopové prvky naředěny vápencem a vážou se do slínku. Zatím je známo asi 400 druhů rostlinných hyperakumulátorů, jenže většina z nich (318 druhů), jako např. některé druhy česneku, odstraňuje jenom nikl. Obsah niklu v sušených listech může dosáhnout koncentrace až tří hmotnostních procent.

Na největším asijském ložisku arzenu v oblasti Šimen v čínské provincii Hunan se po dobu asi 1500 let těžil realgar (sirník arzenu As4S4). V průběhu těžby a zpracování byla vážně kontaminována celá oblast včetně potravinových zdrojů a dobytka. Číňané prováděli série pokusů jak s nekontaminovanou zeminou (obsahy kolem 9 mg As/kg zeminy), tak s půdou v okolí hutí (obsahy až 3400 mg As/kg zeminy); pH půdních roztoků se pohybovalo mezi 7,4–7,8. Kapradina Pteris vittata roste v dané oblasti ve výškách kolem 2000 m na vápnitých podkladech a je obecně považována – podobně jako u nás sleziník routička Asplenium rutamuraria – za indikátor vápenců. Neroste ale v půdách, které jsou kyselejší než 4,5 pH, což je u sirníkových ložisek vážný nedostatek. Váha čerstvé biomasy vypěstované na 1 ha kontaminované půdy je sice kolem 36 t, jenže kapradina z toho tvoří jen určitou část. Při opakované sklizni tedy může pomoci při odstraňování spíš nízkých a možná středních zátěží arzenu.

Co si o tom všem máme myslet? Číňané jsou velmi optimističtí a na praktické využití kapradiny věří. Pamatuji si ale řadu experimentů např. s přesličkami, které v sobě kumulují zlato. Pokud by se podařilo na starých odkalištích zlatorudných ložisek, třeba na Roudném, pěstovat ve velkém přesličku, bylo by teoreticky možné z tuny sušiny získat až několik set gramů zlata. Problém je v přesličce, vzpírá se (mrcha) a nechce tvořit monokulturu. (Chinese Science Bulletin 47, 902, 2002/11)

Václav Cílek

Ke stažení

O autorovi

Petr Drahota

Mgr. Petr Drahota (*1977) vystudoval Přírodovědeckou fakultu UK v Praze. Na této fakultě se jako doktorand zabývá geochemií a ložiskovou geologií ve spojení se studiem chování a migrace arzenu v životním prostředí.

Doporučujeme

Návrat Široka

Návrat Široka

Pavel Pipek  |  9. 2. 2018
Zpráva, která na mě právě vyskočila na Twitteru, by asi většinu Evropanů nechala chladnou, ale mé srdce buší tak, že mám chuť okamžitě vyskočit z...
Rytíř našich vod

Rytíř našich vod

Marek Janáč  |  5. 2. 2018
Na stěně ve své kanceláři má vystavené krunýře velkých raků. Za jeho pracovní židlí v akváriu rak. V knihovně knihy o racích a v laboratoři ve...
O kvantových počítačích a šifře RSA

O kvantových počítačích a šifře RSA uzamčeno

Jiří Poš  |  5. 2. 2018
značným příslibem pro výpočetní systémy budoucnosti je rozvíjející se obor kvantových počítačů. Představují naději, že eliminují některá vážná...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné