Фиторемедиация и валоризация почв, загрязненных Cu, с помощью Cannabis sativa (L.)

Charikleia Vasilou,  Николаос Г. Циропулос, Evangelia E. Golia (Василоу К., Циропулос Н.Г. и Голия Э.Э.)

 Фиторемедиация и валоризация почв, загрязненных Cu, путем культивирования Cannabis sativa (L.): разумный способ получения каннабидиола (CBD) на почвах Средиземноморья. Ценность биомассы отходов. 2024. https://doi.org/10.1007/s12649-023-02388-x

АННОТАЦИЯ

Цель: Был исследован потенциал технической конопли (Cannabis sativa L.) для фиторемедиации почв Средиземноморья, загрязненных медью. Накопление меди в частях конопли и влияние загрязненной почвы на производство каннабидиола (CBD) также вызывали первостепенную озабоченность.

Методы: Два типа почв, суглинистая и супесчаная, подвергались воздействию двух уровней загрязнения Cu: низкой и высокой концентрации Cu. Было определено общее и доступное содержание Cu в почвах, а также Cu в тканях растений. Дополнительно оценивались высота, свежая надземная биомасса и содержание хлорофилла в листьях. Кроме того, было определено количество каннабидиола (CBD) в цветках конопли.

Результаты: Оказалось, что конопля обладает высокой устойчивостью, поскольку может успешно расти на обоих типах почв с низким или высоким содержанием Cu. Максимальное содержание Cu было обнаружено в верхней части корней растения с постепенным снижением к верхним частям растения (корневищам> подушечкам> листьям) в обоих типах почв. Было замечено, что более 50% концентрации меди в растении накапливается в корнях. Кроме того, растения конопли, выращенные на почвах с высоким содержанием Cu, вырабатывали большее количество каннабидиола (CBD).

Заключение: Конопля оказалась перспективным растением для фитостабилизации почв, загрязненных Cu, поскольку ее надземная биомасса почти не содержит металлов и может быть использована в дальнейшем для производства волокна. Присутствие Cu в почвах, по-видимому, не нарушало выработку важного вторичного метаболита CBD, а скорее увеличивалось после увеличения содержания Cu в почве.

ВЫДЕРЖКИ

Введение

Тяжелые металлы относятся к группе металлов и металлоидов, имеющих атомную плотность более 5 г / см-3, которые могут быть опасны как для растений, так и для животных [1]. Двадцать из вышеупомянутых металлов ведут себя как питательные вещества, когда присутствуют в небольших количествах (микроэлементы), но когда их концентрация превышает определенный порог, они становятся чрезвычайно токсичными для организмов [2, 3]. Следовательно, использование термина "Потенциальные токсичные элементы" (PTE) в последнее время считается обязательным [4, 5]. Из-за их неспособности разлагаться и тенденции оставаться в металлических или сложных формах в течение длительного периода времени, PTE являются одними из наиболее опасных загрязняющих веществ в окружающей среде [6, 7]. Хотя их попадание в окружающую среду объясняется как естественными, так и антропогенными источниками, быстрое промышленное развитие, нерегулируемая урбанизация и интенсивное использование или растрата удобрений, по-видимому, сыграли наиболее важную роль в распространении проблемы загрязнения по всему миру [5, 8, 9].

Почва является прямым или косвенным получателем устойчивых загрязняющих веществ, таких как металлы, что приводит к негативным последствиям как для здоровья почвы, так и для живых организмов в окружающей среде [10, 11]. Однако общее количество металла, осаждаемого в почве, не равно количеству биодоступных металлов, то есть металлов, которые могут быть непосредственно усвоены растениями [2, 12]. В результате проводится различие между ‘общими’ и ‘доступными’ для растений концентрациями. Традиционные подходы к восстановлению почв, загрязненных тяжелыми металлами, включают добавление подходящих питательных сред, твердых веществ с высокой площадью поверхности и растительных остатков, которые повышают содержание органического вещества и плодородие почв [13]. Поглощение металлов растениями является основой постоянно развивающейся стратегии восстановления загрязненных почв. Поглощение PTEs растениями происходит в основном через корни и поверхность листьев [2, 4]. 

Рекультивация загрязненных почв - это сложный процесс, направленный либо на полное удаление металлов, либо на снижение их концентрации до допустимых пределов, указанных законодательством [4, 12]. Несколько существующих методов восстановления почвы, несмотря на их эффективность, считаются ограничительными из-за их высоких эксплуатационных затрат [14]. Более того, контроль процессов чрезвычайно сложен и часто подвергает окружающую среду дополнительному риску, в то же время вызывая визуальные нарушения из-за эстетического изменения ландшафта [13]. По всем вышеупомянутым причинам в последние десятилетия фиторемедиация стала многообещающим методом [4].

Фиторемедиация определяется как процесс, при котором растения используются для удаления, стабилизации, переноса или разложения загрязняющих веществ из почвы, донных отложений, поверхностных и подземных вод [15]. Основные механизмы фиторемедиации включают накопление (фитоэкстракция, укоренение), деградацию (укоренение, фитодеградация), иммобилизацию (гидравлический контроль и фитостабилизация) и распространение (фитозащита) загрязняющих веществ [16]. Эти механизмы используются растениями либо по отдельности, либо в комбинации, в зависимости от типа загрязнителя [17]. Фиторемедиация обычно применяется с использованием гипераккумулирующих растений, то есть растений, которые накапливают большое количество металлов в своей надземной биомассе [18, 19]. 

Однако, в целом, для того, чтобы растение считалось пригодным для фиторемедиации, важно, чтобы оно соответствовало определенным характеристикам, таким как быстрый рост, высокая биомасса, разветвленная корневая система, устойчивость к высоким концентрациям металлов, высокий коэффициент транслокации в тканях растения, приспособляемость к определенным условиям и простота ведения сельского хозяйства [4, 20]. Тем не менее, объединить все вышеперечисленные характеристики в одном растении часто невозможно. Поэтому обычно придерживаются двух основных стратегий: либо использование перенасыщения, либо использование растений с высокой биомассой в сочетании с солюбилизирующими металлами агентами [18]. Cannabis sativa L. обладает некоторыми из вышеупомянутых свойств и в последние годы вызывает большой интерес в целях фиторемедиации [4, 12, 21].

Медь (Cu) - металл, широко используемый в промышленности, но также важный микроэлемент для роста как растений, так и животных [1]. Этот металл вносит значительный вклад в физиологические функции растений, особенно в производство семян, регулирование влажности и устойчивость к болезням [22]. Тем не менее, в высоких концентрациях он вызывает токсичность у растений, животных и человека с последующим серьезным воздействием на окружающую среду. В тканях растений он накапливается в основном в корнях с небольшой тенденцией к росту в направлении побегов. Рехман и др. пришли к выводу, что это, вероятно, связано с попытками растений предотвратить поступление Cu в фотосинтетические ткани [23].

Конопля (Cannabis Sativa L.) - многофункциональное растение с широким спектром промышленного и фармацевтического применения [4, 12]. Его применение можно найти в четырех основных секторах: промышленность (использование и производство новых материалов), агропродовольственный, медицинский / фармацевтический и рекреационный [21]. Долгую историю использования каннабиса в медицинском и фармацевтическом секторах можно объяснить ценными каннабиноидами, которые он содержит. Среди них каннабидиол и тетрагидроканнабидиол считаются наиболее значимыми [24]. В частности, канабидиол известен своими противоопухолевыми, противовоспалительными, противосудорожными, противоэпилептическими, обезболивающими, анксиолитическими и нейропротекторными свойствами [24]. Выращивание каннабиса, как промышленного, так и главным образом фармацевтического, на протяжении многих лет было предметом дискуссий и сталкивалось с юридическими проблемами из-за производства психотропного вещества тетрагидроканнабидиола (ТГК). Меняющийся правовой статус лекарственного каннабиса для фармацевтических целей важен, поскольку он влияет как на клинический доступ, так и на доступ пациентов к лечению на основе каннабиса [4, 12]. 

Более того, после завершения фиторемедиации техническую коноплю можно рассматривать как “ресурс” для дальнейшего использования, поскольку накопление тяжелых металлов в тканях растения не оказывает влияния на развитие растения или количество производимых им полезных компонентов [25].

Целью данного исследования было оценить потенциал растения конопля для целей восстановления в почвах, насыщенных Cu, с различным гранулометрическим составом. Накопление меди в тканях растения, в корнях растения, а также в его надземной биомассе вызывает особую озабоченность. Кроме того, было исследовано влияние уровня Cu в почве на количество производимого каннабидиола (CBD).