Toprak arsenik kirliliği? Dik onu!
Şu anda, toprak arsenik kirliliği sorunu yaygın endişelere neden oldu. Arsenikle kirlenmiş toprağın iyileştirilmesi için, yurtiçi ve yurtdışındaki bilim adamları çok sayıda araştırma yaptılar ve fiziksel ve kimyasal bakış açılarından bir dizi toprak iyileştirme teknolojisi geliştirdiler. Arsenik hiperakümülatör bitkisi "kırkayak çimi" nin keşfi, toprak arsenik kirliliğinin restorasyonunu küçük bir zirveye taşıdı.
Kırkayak otu: "arsenik yiyen" bir hiperakümülatör
Hepimizin bildiği gibi, yüksek toksisitesi nedeniyle, arsenikle kirlenmiş topraktaki çoğu bitki normal şekilde büyüyemez. Bununla birlikte, kırkayak otu çok farklıdır: Sadece yüksek oranda arsenikle kirlenmiş toprakta gelişmekle kalmaz, aynı zamanda topraktan vücuda büyük miktarda arseniği emebilir ve yapraklarda zenginleştirip depolayabilir. Yukarıdaki özelliklere dayanarak, bilim adamları nazikçe kırkayak otunu mucizevi bir "arsenik yiyen" bitki olarak adlandırıyorlar.
Kırkayak otu filum pteridofite aittir, rizomları dik, kısa ve sağlamdır ve bitki boyu 150 cm'ye ulaşabilir. Çalışmalar, kırkayak otunun arseniğe karşı son derece dirençli olduğunu göstermiştir. 1500 mg · kg-1'e kadar arsenik konsantrasyonu ile karada hala normal şekilde büyüyebilir; aynı zamanda kırkayak otu arseniği hızla emebilir ve toprak üstünde biriktirebilir. Kısmen zenginleştirilmiş arseniğin konsantrasyonu 22630 mg · kg-1 (kuru ağırlığın% 2'sinden fazla) kadar yüksektir, bu da topraktaki arsenik konsantrasyonundan 10 kat daha fazladır.
Şekil 1 Kırkayak otu, hiper arsenik toplayıcı
Kırkayak otunun "arsenik yiyen" karakteristiğinin keşfi, arsenikle kirlenmiş toprağın arıtılması için yeni bir fikir sağlar: arsenikle kirlenmiş toprağa kırkayak otu ekerek, topraktaki arseniği emmesine ve yukarı toprağa kadar zenginleştirmesine izin verin ve sonra Arseniği topraktan etkin bir şekilde çıkarmak için toprağın bir kısmı biçilir.
Restorasyon teknolojisi kalıcı arıtma etkisine sahip, restorasyon sürecinde ikincil kirlilik içermeyen, düşük arıtma maliyeti ve basit son arıtma işlemine sahiptir.Son yıllarda bilimsel araştırmacılar tarafından giderek daha fazla tercih edilen bir toprak restorasyon teknolojisi haline gelmiştir. Şu anda, bu eğrelti otuna dayanan toprak iyileştirme sistemi, Hunan, Yunnan, Guangxi, Henan, Hebei, Sichuan ve ülkenin diğer yerlerinde, arsenikle kirlenmiş toprak olan 2.000 mu'dan fazla toplam iyileştirme alanıyla başarılı bir şekilde araştırma ve geliştirme gösterileri gerçekleştirmiştir. Restorasyon projesinin kapsamlı gelişimi sağlam bir temel oluşturdu.
Kırkayak otunun "arsenik yemesinin" sırrı
Kırkayak otunu bu kadar büyülü yapan nedir? Bu aynı zamanda kırkayak otunun dev taşıma sistemi ve zengin detoksifikasyon sistemi ile başlar.
Arseniğin kırkayak çimi tarafından taşınması ve biriktirilmesi temel olarak dört bağlantı içerir: arsenik emilimi, arsenik yükleme, arsenik boşaltma ve bölümlere ayırma. Topraktaki arsenik, kırkayağın kökleri tarafından emilir ve semplast yolu ve apoplast yolu ile kırkayağa girer. Köklere giren arseniğin çoğu hızla yer üstü kısmına taşınır ve çoğunlukla çamların boşluklarına bölünerek arsenik taşıma ve zenginleştirme sürecini tamamlar.
Çin Bilimler Akademisi Botanik Enstitüsü'nden araştırmacılar, kırkayak otunun arsenik taşınmasına hem aktif taşıma hem de pasif taşıma sistemleri aracılık ettiğini keşfettiler. Bunlar arasında, ATP bağlayıcı kaset (ABC) taşıyıcısı, esas olarak süper aile (MFS) protein ailesi, P-tipi ATPaz protein ailesi, arsenik antiporter (ACR3) ailesi, nitrat taşıyıcı (NRT3.1) ailesi ve suyun taşınmasına yardımcı olur. Kanal (MIP) protein ailesinin üyeleri, arsenik tedavisinden sonra yüksek oranda eksprese edilir ve kırkayak otunda arsenik taşınmasının altı ana taşıyıcı ailesi olarak kabul edilir. Bunların arasında, aquaporin PvTIP4; 1, arsenik antiporter PvACR3 ve PvACR3; 1'in kırkayak otu köklerinin emiliminde ve tonoplastların bölümlendirilmesinde rol oynadığı doğrulanmıştır.
Arsenik detoksifikasyonunda kırkayak otu, arsenik birikiminin neden olduğu zehiri hafifletmesine yardımcı olmak için uzun vadeli evrim sürecinde geliştirilmiş özel bir mekanizma da içerir. İstatistiklere göre, kırkayak çimeninin boşluklarındaki arsenik içeriği, vücuttaki toplam arsenik içeriğinin% 90'ından fazlasını oluşturmaktadır. Tıpkı bir hapishane gibi, vakuol, hücrelere zehirli olan "arseniğin" çoğunu yakalar.Buradaki arseniğin zenginleştirilmesi, kırkayak otunun normal fizyolojik sürecini sağlar ve böylece kırkayak otuna güçlü arsenik direnci verir.
Çoğu bitki için, arsenik birikimi ayrıca oksidatif stresi tetikleyebilir ve süperoksit anyonlar, hidroksil radikalleri ve hidrojen peroksit gibi reaktif oksijen türleri (ROS) üretebilir. Bu maddelerin birikmesi hücreler üzerinde büyük toksik etkiye sahip olacaktır. Çalışmalar, arsenik varlığında, askorbik asit ve glutatyon (GSH) gibi kırkayak otundaki enzimatik olmayan antioksidanların içeriğinin ve antioksidan enzimler SOD ve CAT'ın aktivitelerinin süper olmayanlardan çok daha yüksek olduğunu bulmuştur. Bitkilerdeki aktiviteyi zenginleştirin. Bu, kırkayak otunun ROS'u arsenikle zenginleştirilmemiş bitkilerden daha etkili bir şekilde uzaklaştırdığını ve arsenik stresinin neden olduğu zararlı maddeleri etkili bir şekilde azaltabildiğini göstermektedir.
Ek olarak, kırkayak otu ayrıca endoplazmik retikulum stresini hafifletmek için güçlü protein parçalama kabiliyetine sahiptir. Endoplazmik retikulum, protein sentezi ve katlama modifikasyonu için önemli bir yerdir.Sadece doğru katlanmış proteinler normal yaşam aktivitelerini sürdürebilir. Toksik bir ağır metal element olarak arsenik, çok sayıda yanlış katlanmış proteinin üretilmesine neden olur Yanlış katlanmış proteinlerin birikimi endoplazmik retikulumun dayanıklılığını aştığında, endoplazmik retikulum stres tepkisine neden olur ve bitki sağlığını tehlikeye atar.
İlginç bir şekilde, kırkayak otu büyük miktarda arsenik biriktirmesine rağmen, kırkayak otunda endoplazmik retikulum stres tepkisi tespit edilmemiştir. Bunun nedeni, arsenik ortamında, kırkayak otunun endoplazmik retikulum ile ilişkili bozunma yolu (ERAD) ve her yerde bulunma bozunma yolu (UPP) hızla aktive olacak ve yanlış protein hızla parçalanacak ve böylece kırkayak otunun normal büyümesini sağlayacaktır.
Arsenikle muamele edilmiş kırkayak otunda büyük miktarda glutatyon (GSH) ve glutatyon S transferaz (GST) da tespit edildi. Glutatyon S transferaz (GST), bir As-GSH kompleksi oluşturmak için serbest arsenik (As) ve glutatyonu (GSH) katalize edebildiğinden, böylece serbest arseniğin toksisitesini önemli ölçüde azaltarak kırkayak otunun güçlü bir arsenik detoksifikasyon kabiliyetine sahip olabileceğini düşündürmektedir. GSH ve GST ile ilgili.
Bunu okuduktan sonra, herkes bu büyülü bitkinin "arsenik yiyen" sırrını biliyor.
Şekil 2 Kırkayak otu arsenik hiper zenginleştirme ağı
Mühendislik tesislerinin inşası: bitki ıslahının geleceği
Bir tür eğrelti otu olarak kırkayak otu, esas olarak güneyin nemli ve sıcak ortamında yetişir ve bu da bir fitoremediasyon malzemesi olarak uygulama kapsamını ciddi şekilde sınırlar. Bu nedenle, büyük biyokütleye, hızlı büyümeye ve geniş çevresel uyumluluğa sahip mühendislik tesislerinin taranması ve yetiştirilmesi, fitoremediasyon alanında yeni bir araştırma hedefi haline geldi.
Son yıllarda araştırmacılar, model tesislerde tasarlanmış tesislerin inşası ile ilgili ön araştırmalar yaptılar. Örneğin, aquaporin PvTIP4; 1'in Arabidopsis'e dönüştürülmesi, transgenik Arabidopsis'in arsenik birikimini önemli ölçüde artırabilir; PvACR3'ü Arabidopsis'e dönüştürmek, yalnızca transgenik Arabidopsis'in arsenik birikim kapasitesini iyileştirmekle kalmaz, Ve normal büyümesini etkilemez.
Bu çalışmalar, gelecekte bitki ıslahı uygulaması için sağlam bir temel oluşturmuştur. Günümüzde araştırmacılar, "arsenik yiyen" gizli moleküler silahları, gelecekte kırkayak otunu korumak için daha büyük biyokütle, daha fazla uyarlanabilirlik ve miscanthus, tatlı sorgum ve diğer enerji bitkileri gibi yeniden kullanılabilir bitkiler olan bitkilere yerleştirmek için çalışıyorlar. Bu sihirli arsenik temizleme yeteneği daha geniş bir alana uygulanmaktadır.
İnsanlar yiyeceği cennet, yemek ilk, güvenlik ise kalitedir. Kırkayak otunun daha fazla arsenik hiper-zenginleştirilmiş moleküler elementlerini deşifre ederek, fitoremediasyonun geleceğinin daha iyi olacağına inanıyoruz!
Yazar: Li Yan Hui Kao Wei He Zhenyan
Kaynak: Botanik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi
İpuçları: Yakın zamanda WeChat resmi hesap bilgi akışı revize edildi. Her kullanıcı, büyük kartlar şeklinde görüntülenecek olan sık okuma abonelik numaralarını ayarlayabilir. Bu nedenle, "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" makalesini kaçırmak istemiyorsanız, şunları yapmalısınız: "Çin Bilimler Akademisinin Sesi" genel hesabına girin sağ üst köşedeki menüyü tıklayın "Yıldız Olarak Ayarla" yı seçin
