植物抽出プロセス

植物抽出は植物浄化のサブプロセスであり、植物が土壌や水から危険な元素や化合物、最も一般的には重金属、つまり密度が高く、比較的低濃度でも生物に有毒な金属を除去する。^[1]植物が抽出する重金属は植物にとっても有毒であり、植物抽出に使用される植物は、組織内に非常に大量の重金属を隔離する超蓄積植物として知られている。植物抽出は、汚染物質の吸収レベルが低い植物でも行うことができるが、成長速度とバイオマス生産量が高いため、土壌からかなりの量の汚染物質を除去する可能性がある。^[2]

重金属と生物システム

重金属は、生物学的プロセスに不可欠な多くの化学物質と反応する可能性があるため、あらゆる生物にとって大きな問題となる可能性があります。

また、他の分子をさらに反応性の高い種（活性酸素種など）に分解し、生物学的プロセスを阻害することもあります。これらの反応により、重要な分子の濃度が低下し、ラジカル O ^.や OH ^.などの危険な反応性分子も生成されます。

多くの重金属は、植物の生命に不可欠な他の金属と化学的に類似しているため、非高蓄積性植物もある程度濃度の高い重金属を吸収します。

プロセス

植物が水や土壌から重金属を抽出するには、5 つのことが起こる必要があります。

金属は植物の根が吸収できるものに溶解する必要があります。
植物の根は重金属を吸収しなければなりません。
植物は、自身を保護するため、また金属の移動性を高めるために、金属をキレート化する必要があります (これは金属が吸収される前にも起こります)。キレート化とは、金属が有機化合物に囲まれて化学的に結合するプロセスです。
工場はキレート化された金属を安全に保管できる場所に移動します。
最後に、植物は輸送中および保管中に金属が引き起こすあらゆる損傷に適応する必要があります。

解散

通常の状態では、金属はいかなる生物にも取り込まれません。生物内で移動できるようにするには、金属をイオンとして溶液に溶解する必要があります。^{[3]金属が移動可能になると、特定の金属輸送体によって根の}細胞壁を介して直接輸送されるか、特定の因子によって運ばれます。植物の根は、根圏で金属を捕捉し、細胞壁を介して金属を輸送するものを分泌することで、このプロセスを仲介します。例としては、フィトシデロフォア、有機酸、またはカルボキシレートがあります。 ^[4]この時点で金属がキレート化されている場合、植物は後でそれをキレート化する必要がなく、キレート剤は金属を植物の残りの部分から隠すケースとして機能します。これは、過剰蓄積者が有毒金属の毒性効果から自分自身を保護する方法です。

根吸収

金属が吸収されると、まず根の細胞壁と結合します。^[5]その後、金属は根に運ばれます。植物によっては、キレート化または隔離によって金属を蓄えます。根圏で金属が利用可能になると、植物では金属の解毒と輸送に寄与する多くの特定の遷移金属リガンドがアップレギュレーションされます。^[6]この時点で、金属は単独の場合もあれば、キレート剤や他の化合物によってすでに隔離されている場合もあります。木部に到達するには、金属は根のシンプラズムを通過する必要があります。

根から茎への輸送

重金属を輸送し貯蔵するシステムは、過剰蓄積植物にとって最も重要なシステムです。なぜなら、重金属は貯蔵される前に植物にダメージを与えるからです。重金属の根から茎への輸送は、遺伝子発現によって強く制御されています。植物の金属輸送システムをコードする遺伝子が特定されています。これらの遺伝子は、過剰蓄積植物と非過剰蓄積植物の両方で発現しています。重金属の輸送システムをコードすることが知られている遺伝子は、重金属にさらされると過剰蓄積植物で常に過剰発現するという証拠がたくさんあります。^[7]この遺伝学的証拠は、過剰蓄積植物が金属輸送システムを過剰に発達させていることを示唆しています。これは、根から茎へのプロセスを加速し、金属が貯蔵される前に植物システムにさらされる時間を制限するためかもしれません。カドミウムの蓄積は検討されています。^[8]

これらのトランスポーターは重金属輸送ATPase（HMA）として知られています。^[9] 最もよく文書化されたHMAの1つはHMA4で、Zn / Co / Cd / Pb HMAサブクラスに属し、道管柔組織の細胞膜に局在しています。^[7]植物が高レベルのCdとZnにさらされるとHMA4はアップレギュレーションされますが、非過剰蓄積性の同族ではダウンレギュレーションされます。^[10]また、HMA4の発現が増加すると、ZIP（亜鉛調節輸送体鉄調節輸送体タンパク質）ファミリーに属する遺伝子の発現が相関して増加します。これは、根からシュートへの輸送システムが、根に金属欠乏反応を引き起こすことで過剰蓄積の原動力として作用することを示唆しています。^[11]

ストレージ

重金属を輸送し、貯蔵するシステムは、ハイパーアキュムレーターにおいて最も重要なシステムです。なぜなら、重金属は貯蔵される前に植物にダメージを与えるからです。ハイパーアキュムレーターでは、重金属は葉に貯蔵されることがよくあります。

植物抽出がどのように役立つか

植物の場合

植物にとってこれがなぜ有益なのかを説明する理論はいくつかある。例えば、「元素防御」仮説は、捕食者が重金属のために過剰蓄積植物を避けるのではないかと仮定している。今のところ、科学者は相関関係を突き止めることができていない。^[12] 2002年にバングラデシュのバンガバンドゥ・シェイク・ムジブ医科大学の薬理学部は、ホテイアオイを使って水からヒ素を除去する研究を行った。^[13]この研究は、数時間で水からヒ素を完全に除去できること、そしてこの植物を動物の飼料、薪、その他多くの実用的な目的に使用できることを証明した。ホテイアオイは侵略性があるため、栽培コストが安く、この目的には非常に実用的である。

参照

バイオマイニング

参考文献

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