Bakterie w walce z zanieczyszczeniem gleb
Bakterie są to mikroorganizmy, najczęściej jednokomórkowe, które są wszechobecne tj. występują we wszystkich typach środowisk. Liczbę bakterii na świecie szacuje się na ok 5 kwintylionów. W jednym gramie gleby można znaleźć około 40 milionów, a w jednym mililitrze wody około milion komórek bakterii. Odgrywają one kluczową rolę w obiegu materii, w tym głównie węgla, i substancji biogennych takich jak azot czy fosfor, przyczyniając się do prawidłowego funkcjonowania środowiska. Ich wszechobecność oraz zdolność do wykorzystywania złożonych związków organicznych (w tym zanieczyszczeń) jako źródło substancji odżywczych sprawia, iż mikroorganizmy te stają się dogodnym narzędziem w walce z zanieczyszczeniem środowiska.
Wykorzystanie zdolności bakterii do usuwania zanieczyszczeń ze środowiska nazywamy biodegradacją. Proces ten polega na wytwarzaniu przez bakterie odpowiednich enzymów, które mają zdolność takiej modyfikacji zanieczyszczeń aby były one mniej toksyczne lub nietoksyczne. Ostatecznym efektem degradacyjnej działalności bakterii jest woda i dwutlenek węgla. Usuwanie zanieczyszczeń przez bakterie może zachodzić w dwojaki sposób: po pierwsze bakterie mogą wykorzystywać zanieczyszczenie jako jedyne źródło „pożywnienia” i wówczas proces taki nazywamy mineralizacją. W przypadku gdy bakterie potrzebują dodatkowego źródła substancji odżywczych, usuwanie zanieczyszczenia zachodzi jako proces dodatkowy nazywany ko-metabolizmem.
Usuwanie zanieczyszczeń przez bakterie – dlaczego tak wolne?
Pomimo iż badania nad wykorzystaniem bakterii zdolnych do usuwania zanieczyszczeń prowadzi się od ponad 40 lat, do chwili obecnej naukowcy borykają się z problem niskiej efektywności tego procesu w warunkach środowiskowych m.in. w skażonych glebach. Dlaczego tak się dzieje? Otóż na szybkość usuwania zanieczyszczeń przez bakterie wpływa wiele czynników, w tym to z jakim zanieczyszczeniem mamy do czynienia, jakie bakterie znajdują się w glebie i czy są one aktywne, to znaczy czy produkują enzymy mogące rozkładac zanieczyszczenie obecne w glebie. Dodatkowo sama gleba i jej jakość, np. wilgotność, stopień zakwaszenia czy zawartość próchnicy, może wpływać na aktywność degradacyjną bakterii, a tym samym na szybkość usuwania zanieczyszczeń. Tempo oczyszczania gleby jest również zależne od biologicznej dostępności zanieczyszczeń dla bakterii – niektóre zanieczyszczenia bardzo silnie wiążą się z cząsteczkami gleby, co sprawia ze bakterie nie są w stanie ich pobrać i przekształcić do form mniej toksycznych.
W przypadku usuwania zanieczyszczeń bezpośrednio ze środowiska, dużym problemem jest zmienność warunków pogodowych będących efektem następujących po sobie pór roku i związanymi z tym zmianami temperatur i opadów. Sprawia to ze bakterie muszą zmagać się nie tylko z zanieczyszczeniem, ale też z warunkami pogodowymi aktualnie panującymi na danym obszarze. Ponadto, zanieczyszczone gleby często są ubogie w próchnicę oraz azot i fosfor, czyli związki które są niezbędne dla prawidłowego rozwoju bakterii w środowisku. Wszystkie te czynniki wpływają na niską szybkość usuwania zanieczyszczeń ze skażonych gleb i skłaniają do poszukiwań metod i technologii które przyspieszą i usprawnią ten proces.
Rośliny w walce z zanieczyszczeniem gleb
Biorąc pod uwagę niską efektywność procesu biodegradacji, zwłaszcza w warunkach środowiskowych, przedmiotem szczególnych zainteresowań naukowców stało się poszukiwanie alternatywnych, naturalnych metod usuwania zanieczyszczeń z gleby. Taka obiecującą i szybko rozwijającą się metodą oczyszczania skażonych gleb jest wykorzystanie roślin. Zdolność roślin do usuwania związków tokycznych zaobserwowano porównując skażenie na terenach porośniętych i nie porośniętych roślinnością. Na podstawie tych badań stwierdzono, iż rośliny pełnią ważną rolę w procesie usuwania zanieczyszczeń. Obecnie liczne dane literaturowe potwierdzają pozytywne efekty stosowania roślin w celu usuwanie zanieczyszczeń ze skażonych obszarów. Rośliny wykorzystywane do usuwania zanieczyszczeń muszą charakteryzować się przede wszystkim zdolnością do wzrostu w skażonej glebie oraz zdolnością do poboru zanieczyszczeń i ich akumulacji w swoich tkankach np. korzeniach, łodygach czy liściach. Do usuwania zanieczyszczeń z gleb często wybiera się rośliny o szybkim tempie wzrostu i wysokim plonie (np. wierzba, miskant). Rośliny takie zdolne są do akumulacji znacznie większych ilości substancji toksycznych w swoich tkankach w porównaniu do roślin wolnorosnących i o niskiej biomasie.
Sojusz bakterii i roślin w walce z zanieczyszczeniem gleb
Istotną cechą, która wpływa na tempo usuwania zanieczyszczeń przez roślinę jest jej system korzeniowy. To właśnie dzięki systemowi korzeniowy roślina może pobierać zanieczyszczenia z gleby zapobiegając ich dalszemu rozprzestrzenianiu się. Jednak pobór zanieczyszczeń to nie wszystko – roślina poprzez swój system korzeniowy wydziela do gleby szereg substancji za pomocą których „kontaktuje” się z bakteriami i stymuluje ich rozwoj i aktywnośc degradacyjną. Naukowcy szacują iż ponad 1/3 cukrów, białek i innych substancji produkowanych przez roślinę w trakcie fotosyntezy, gromadzona jest w glebie międzykorzeniowej. To z kolei sprawia że taka gleba jest bogata w substancje odżywcze niezbędne do prawidłowego rozwoju bakterii glebowych i ich aktywności degradacyjnej względem zanieczyszczeń. Dowodem na wysoką aktywnoś
degradacyjną bakterii żyjących w strefie korzeniowej roślin jest fakt, iż 1 g takiej gleby zawiera 1012 razy wyższą ilość mikroorganizmów niż gleba nie porośnięta roślinnością. Dodatkowo rośliny mogą regulować nie tylko ilość, ale również skład wydzielanych substancji. Powoduje to modyfikacje w ilości bakterii i ich różnorodności, a tym w ich efektywności pod kątem usuwania zanieczyszczeń.
Również bakterie zasiedlające strefę korzeniową pełnią szereg funkcji względem rośliny. Przede wszystkim chronią roślinę przed stresem wywołanym zbyt dużym stężeniem danego zanieczyszczenia (poprzez wydzielanie odpowiednich związków ochronnych), chronią przed patogenami, degradują zanieczyszczenia (zanim wpłyną one negatywnie na wzrost i rozwój rośliny) oraz sprawiają ze substancje biogenne takie jak azot i fosfor są łatwiej przyswajalne dla rosliny.
Podsumowanie
Współdziałanie roślin i bakterii przykuwa szczególną uwagę naukowców jako jedna z najefektywniejszych naturalnych metod usuwania szkodliwych substancji ze środowiska. Należy jednak pamiętać, iż tempo usuwania zanieczyszczeń w strefie korzeniowej roślin zależy od zdolności bakterii do kolonizacji korzeni i przystosowania się do danego stężenia zanieczyszczenia oraz zdolności rośliny do produkcji substancji stymulujących rozwój i aktywność bakterii. Stąd też prowadzi się intensywne badania nad odpowiednim doborem roślin i bakterii w celu maksymalizacji tego procesu.
