植物による浄化

ファイトレメディエーション 技術は、生きた植物を使って、有害な汚染物質で汚染された土壌、空気、水を浄化する。^[1]これは、「緑の植物とそれに関連する微生物、適切な土壌改良剤、農耕技術を使用して、有毒な環境汚染物質を封じ込め、除去、または無害化すること」と定義される。^[2]この用語は、ギリシャ語のphyto（植物）とラテン語のremedium（バランスの回復）を組み合わせたものである。費用の面では魅力的だが、ファイトレメディエーションは、汚染された空間が回復されるほどの重大な環境問題の是正には役立たないことが実証されている。

ファイトレメディエーションは、環境から元素や化合物を濃縮し、追加の汚染を引き起こすことなくさまざまな化合物を解毒する植物の能力を利用した、費用対効果の高い植物ベースの環境修復アプローチとして提案されています。 ^[3]濃縮効果は、化学物質を生物蓄積する超蓄積植物と呼ばれる特定の植物の能力によって生じます。修復効果はまったく異なります。有毒な重金属は分解できませんが、有機汚染物質は分解でき、一般的にファイトレメディエーションの主な対象となります。いくつかのフィールド試験により、環境浄化に植物を使用することの実現可能性が確認されました。^[4]

土壌修復は費用がかかり、複雑なプロセスです。従来の方法では、汚染された土壌を除去し、その後に処理を行い、処理済みの土壌を戻すという手順を踏みます。^{[引用が必要]}

植物による浄化は、原理的にはより費用対効果の高い解決策となり得る。^{[5]植物による浄化は、汚染された}土壌や静水環境に適用できる。この技術は、カドミウム、鉛、アルミニウム、ヒ素、アンチモンなどの重金属で汚染された土壌のある場所でますます研究され、採用されている。^[6]これらの金属は、植物に酸化ストレスを引き起こし、細胞膜の完全性を破壊し、栄養素の吸収を妨げ、光合成を阻害し、植物のクロロフィルを減少させる可能性がある。^[7]

ファイトレメディエーションは、放棄された金属鉱山の作業場や、製造中にポリ塩化ビフェニルが投棄された場所の修復、進行中の石炭鉱山の排出物の緩和に効果的に使用され、土壌、水、または空気中の汚染物質の影響を軽減しています。^[要出典]金属、農薬、溶剤、爆発物、^[8]および原油とその誘導体などの汚染物質は、世界中のファイトレメディエーションプロジェクトで緩和されてきました。カラシナ、アルプスペニークレス、麻、アカザなどの多くの植物は、有毒廃棄物処理場で汚染物質を過剰に蓄積するのに効果的であることが証明されています。

植物の生理機能の違いにより、すべての植物が重金属や有機汚染物質を蓄積できるわけではありません。^[9]同じ種でも栽培品種によって汚染物質を蓄積する能力は異なります。^[9]

• 植物による浄化のコストは、従来のプロセスよりも低い。 ^{[どのプロセスですか? ]}現場内および現場外の両方で
• 貴金属の回収と再利用の可能性（「植物採掘」を専門とする企業による）
• 表土を保護し、土壌の肥沃度を維持する^[10]
• 土壌の健康、収穫量、植物の植物化学物質の増加^[11]
• 植物の使用は土壌の侵食や金属の浸出も減らす^[10]
• 騒音、臭い、視覚的な混乱は、通常、他の方法よりも少なくなります。高蓄積植物の de:Galme 植生は、それが行われている多くの地域で環境法によって保護されています。

• 植物による浄化は、根が占める表面積と深さに限定されます。
• 植物ベースの浄化システムでは、汚染物質が地下水に浸出するのを完全に防ぐことはできません（汚染された土壌を完全に除去しなければ、それ自体では汚染の問題を解決することはできません）。
• 植物の生存は汚染された土地の毒性と土壌の一般的な状態によって影響を受ける。
• 汚染物質、特に金属が植物に蓄積すると、食品や化粧品などの消費者製品に影響を及ぼす可能性があり、影響を受けた植物材料を安全に処分する必要がある。
• 重金属を吸収する際、その金属が土壌有機物と結合し、植物が抽出できなくなることがある^[要出典]
• 一部の植物は、超蓄積植物であるにもかかわらず、栽培が難しすぎたり、成長が遅すぎたりして、ファイトレメディエーションに適さない。遺伝子組み換えは、対象種の望ましい特性を改善する可能性があるが、一部の国では議論の的となっている。

環境問題の治療には、植物や藻類が媒介するさまざまなプロセスがテストされています。: ^{[引用が必要]}

植物抽出（または植物蓄積、植物隔離）は、土壌や水から汚染物質を取り除き、収穫可能な植物バイオマスにする植物や藻類の能力を利用するものです。また、銅(II)化合物などの金属の採掘にも使用されます。根は土壌や水から物質を吸収し、地上の植物バイオマスに濃縮します^[10]。大量の汚染物質を吸収できる生物は、超蓄積生物と呼ばれます。^{[13]植物抽出は、汚染物質の吸収レベルが低い植物（}ポプラやヤナギなど）でも行うことができますが、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できます。^[14]植物抽出は、ここ20年ほどで世界中で急速に人気が高まっています。通常、植物抽出は重金属やその他の無機物に使用されます。^[15]廃棄時には、汚染物質は、通常、最初に汚染された土壌や堆積物よりもはるかに少ない量の植物質に集中しています。収穫後、土壌に残る汚染物質のレベルは低くなるため、大幅な浄化を達成するには通常、栽培/収穫サイクルを数回の作物で繰り返す必要があります。このプロセスの後、土壌は修復されます。^[要出典]

もちろん、多くの汚染物質は植物を死滅させるので、ファイトレメディエーションは万能薬ではありません。例えば、クロムは100μM·kg−1乾燥重量を超える濃度ではほとんどの高等植物に有毒です。^[16]

抽出された金属を植物採掘によって採掘することは、材料を回収する方法として考えられます。^[17]過剰蓄積植物は多くの場合、金属植物です。誘導または補助植物抽出は、キレート剤または他の薬剤を含む調整液を土壌に追加して、金属の溶解性または可動性を高め、植物がそれらをより簡単に吸収できるようにするプロセスです。^[18]このような添加物は植物による金属の吸収を増加させる可能性がありますが、植物が移動できる量を超えて土壌に大量の利用可能な金属をもたらす可能性があり、下層土または地下水への浸出を引き起こす可能性があります。^[18]

以下の汚染物質を蓄積することが知られている植物の例:

• ヒ素、ヒマワリ ( Helianthus annuus ) ^[19]または中国のブレーキ シダ ( Pteris vittata ) を使用。^[20]
• カドミウムはヤナギ（Salix viminalis）から抽出され、カドミウム（Cd）、亜鉛（Zn）、銅（Cu）を植物から抽出します。^[21]
• カドミウムと亜鉛は、多くの植物にとって有毒なレベルでこれらの金属を過剰に蓄積するアルプスのペニークレス（ Thlaspi caerulescens ）を使用して測定しました。具体的には、ペニークレスの葉は最大380 mg/kgのカドミウムを蓄積します。^[22]一方、銅が存在すると成長が阻害されるようです（参考表を参照）。
• クロムはほとんどの植物に対して有毒です。^[16]しかし、トマト（Solanum lycopersicum）にはいくつかの有望性があります。^[23]
• インディアンカラシナ ( Brassica juncea )、ブタクサ ( Ambrosia artemisiifolia )、麻ドッグベイン ( Apocynum cannabinum )、またはポプラの木を使用した鉛。バイオマス中に鉛を隔離します。
• 耐塩性（中程度に塩生）大麦やテンサイは、以前は海水で浸水していた畑を再生するための塩化ナトリウム（食塩）の抽出によく使用されます。
• チェルノブイリ原発事故後、ヒマワリを使って池からセシウム137とストロンチウム90が除去された。^[24]
• 水銀、セレン、ポリ塩化ビフェニル（PCB）などの有機汚染物質は、細菌酵素の遺伝子を含む遺伝子組み換え植物によって土壌から除去されている。 ^[25]

• タリウムはいくつかの植物に吸収される。^[26]

植物安定化は、例えば土壌からの物質の浸出を制限することによって、環境中の物質の移動性を低下させる。^[9]これは、汚染物質の長期的な安定化と封じ込めに焦点を当てている。植物は、汚染物質を土壌粒子に結合させて植物や人間が吸収しにくくすることで、汚染物質を固定化する。^[要出典]植物抽出とは異なり、植物安定化は主に、植物組織ではなく根近くの土壌に汚染物質を隔離することに焦点を当てている。汚染物質の生物学的利用能が低下するため、曝露が減少する。植物はまた、化学反応を起こす物質を排泄して、重金属汚染物質を毒性の低い形に変換することもできる。^[10]安定化により、汚染物質の生物学的利用能が低下するだけでなく、浸食、流出、浸出が減少する。^{[15]植物安定化の応用例としては、}鉱山の尾鉱を安定化および封じ込めるために植生キャップを使用することが挙げられる。^[27]土壌改良剤の中には放射性物質の移動性を低下させるものもあるが、濃度によっては移動性を高めるものもある。^{[28] [29]} Vidal et al. 2000 は、牧草の根マットは放射性物質の移動性低下に効果的であり、特に他の農業慣行と組み合わせると効果的であることを発見した。^{[28] [29]} Vidal はまた、特定の草の混合が大きな違いを生むことを発見した。^{[28] [29]}

植物分解（植物形質転換とも呼ばれる）は、植物や微生物を利用して土壌や植物体内の有機汚染物質を分解するものです。有機化合物は植物の根が分泌する酵素によって分解され、これらの分子は植物に吸収され、蒸散によって放出されます。^{[30]このプロセスは、除草剤、}トリクロロエチレン、メチルtert-ブチルエーテルなどの有機汚染物質に最も効果的です。^[15]

植物形質転換は、植物の代謝の直接的な結果として環境物質の化学的変化をもたらし、多くの場合、それらの不活性化、分解（植物分解）、または固定化（植物安定化）をもたらす。農薬、爆発物、溶剤、工業用化学物質、およびその他の生体外物質などの有機汚染物質の場合、カンナなどの特定の植物は、その代謝によってこれらの物質を無毒にする。^[31] 他の場合には、植物の根と一緒に生息する微生物が土壌や水中でこれらの物質を代謝することがある。これらの複雑で扱いにくい化合物は、植物分子によって基本分子（水、二酸化炭素など）に分解することができないため、植物形質転換という用語は、化合物の完全な分解を伴わない化学構造の変化を表す。 「グリーンレバー」という用語は、植物変換を説明するために使用されます。 ^[32]植物は、これらの生体異物化合物（外来化合物/汚染物質）を処理する際に人間の肝臓に類似した行動をとります。 ^{[33] [34]}生体異物を吸収した後、植物酵素はヒドロキシル基（-OH）などの官能基を追加することで、生体異物の極性を高めます。^{[引用が必要]}

これは第1相代謝として知られており、人間の肝臓が薬物や外来化合物の極性を高める方法（薬物代謝）に似ています。人間の肝臓ではシトクロムP450などの酵素が最初の反応を担っていますが、植物ではペルオキシダーゼ、フェノールオキシダーゼ、エステラーゼ、ニトロレダクターゼなどの酵素が同じ役割を果たしています。^[31]

植物変換の第二段階はフェーズ II 代謝と呼ばれ、極性を持った異物にグルコースやアミノ酸などの植物性分子が加えられ、極性がさらに高まります (抱合と呼ばれます)。これもまた、グルクロン酸抱合( UGT クラスの酵素、たとえばUGT1A1によるグルコース分子の付加) とグルタチオン付加反応が異物の反応中心で起こる人間の肝臓で起こるプロセスに似ています。^{[引用が必要]}

フェーズ I とフェーズ II の反応は、化合物の極性を高め、毒性を低下させる働きをしますが、この規則には多くの例外が見られます。極性が増加すると、水性チャネルに沿って異物を容易に輸送できるようになります。^{[引用が必要]}

植物変換の最終段階（第 3 相代謝）では、植物内で異物の隔離が起こります。異物はリグニンのような方法で重合し、植物内に隔離された複雑な構造を形成します。これにより、異物は安全に保管され、植物の機能に影響を与えません。ただし、予備研究では、これらの植物は小動物（カタツムリなど）に有毒である可能性があることが示されており、そのため、植物変換に関与する植物は密閉された囲いの中で維持する必要があるかもしれません。^{[引用が必要]}

そのため、植物は毒性を（例外を除いて）低減し、植物変換において異物を隔離します。トリニトロトルエンの植物変換は広範囲に研究されており、変換経路が提案されています。^[35]

植物刺激（または根圏分解）とは、典型的には根に付随する生物によって、有機汚染物質の分解のための土壌微生物の活動が促進されることである。[30] このプロセスは、根を取り囲む土壌層である根圏内で発生する。 [ 30 ]^植物は、^微生物の活動を刺激し、有機汚染物質の生分解をもたらす炭水化物と酸を放出する。^[36]これは、微生物が有毒物質を消化し、無害な形に分解できることを意味する。^[30]植物刺激は、石油炭化水素、PCB、およびPAHの分解に効果的であることが証明されている。^{[15]植物刺激には、}アトラジン分解を促進するツノゴケのように、活発な分解菌集団を支える水生植物も含まれる可能性がある。^[37]

植物揮発とは、土壌や水から物質が除去され、空気中に放出されることであり、より揮発性の高い、または汚染の少ない物質への植物変換の結果として起こることもあります。このプロセスでは、汚染物質が植物に吸収され、蒸散によって大気中に蒸発します。^[30]これは最も研究されている植物揮発の形態であり、揮発は植物の茎と葉で起こりますが、間接的な植物揮発は、汚染物質が根域から揮発するときに起こります。^[38]セレン（Se）と水銀（Hg）は、植物揮発によって土壌から除去されることがよくあります。^[9]ポプラの木は、蒸散率が高いため、このプロセスを通じてVOCを除去するのに最も成功した植物の1つです。^[15]

根圏濾過とは、大量の根を通して水を濾過し、毒性物質や余分な栄養素を除去するプロセスである。汚染物質は根に吸収または吸着されたままである。^[30]このプロセスは、汚染された場所に直接植物を植えるか、汚染された水を取り除いて敷地外の場所でこれらの植物に供給することで、汚染された地下水を浄化するためによく使用されます。^[30]ただし、どちらの場合でも、通常、植物は最初に正確な条件の下で温室で栽培されます。^[39]

生物学的水力学的封じ込めは、ポプラなどの一部の植物が土壌から水を上方に吸い上げ、根から植物体へと浸透させることで起こり、溶解性汚染物質が敷地の奥深くや地下水へと移動するのを減少させます。^[40]

植物脱塩法では、塩生植物（塩分を多く含む土壌に適応した植物）を利用して土壌から塩分を抽出し、土壌の肥沃度を高めます。^[10]

育種プログラムと遺伝子工学は、自然の植物浄化能力を強化したり、植物に新しい能力を導入したりするための強力な方法です。植物浄化のための遺伝子は、微生物に由来する場合もあれば、浄化現場の環境条件に適応した別の品種に移植される場合もあります。たとえば、細菌のニトロ還元酵素をコードする遺伝子をタバコに挿入したところ、TNT の除去が速くなり、TNT の毒性に対する耐性が向上しました。^[41] 研究者らは、土壌の汚染濃度が未処理の植物にとって致死的であっても植物が成長できるようにするメカニズムも発見しました。外因性ポリアミンなどの一部の天然の生分解性化合物により、植物は未処理の植物よりも 500 倍高い濃度の汚染物質に耐え、より多くの汚染物質を吸収することができます。^[要出典]

植物が汚染物質を最小限の割合で濃縮できる場合、その濃度は汚染物質によって異なります（例：ニッケル、銅、コバルト、クロム、鉛の場合は乾燥重量1kgあたり1000 mg以上、亜鉛やマンガンの場合は1kgあたり10,000 mg以上）。^{[42]この蓄積能力は、}過耐性または植物耐性 によるものです。これは、多くの世代を経た植物から過酷な環境への適応進化の結果です。保護、異なる種の近隣植物への干渉、相利共生（菌根、花粉や種子の散布を含む）、片利共生、バイオフィルムなど、多くの相互作用が金属の過蓄積の影響を受ける可能性があります。[ ^{43] [44] [45]}

• 超蓄電池表 – 1 : Al、Ag、As、Be、Cr、Cu、Mn、Hg、Mo、ナフタレン、Pb、Pd、Pt、Se、Zn ^{[引用が必要]}
• 超蓄電池表 – 2 : ニッケル^[要出典]
• 超蓄積物質表 – 3 : 放射性核種 (Cd、Cs、Co、Pu、Ra、Sr、U)、炭化水素、有機溶媒。^{[引用が必要]}

植物は特定の種類の汚染物質を移動させて蓄積することができるため、地下汚染のバイオセンサーとして使用することができ、調査員は汚染物質の煙を迅速に特定することができます。 ^{[46] [47]}トリクロロエチレンなどの塩素系溶剤は、地下水濃度に関連する濃度で樹幹で観察されています。^{[48]現場でのファイトスクリーニングの実施を容易にするために、多くの場合、}増分ボーラーを使用して、樹幹の一部を抽出し、後で実験室で分析するための標準的な方法が開発されています。^[49]ファイトスクリーニングにより、より最適化された現場調査が可能になり、汚染された現場の浄化コストが削減される可能性があります。^[要出典]

• バイオオーグメンテーション
• 生分解
• バイオレメディエーション
• 人工湿地
• デ・セウベル
• 菌根バイオレメディエーション
• マイコメディエーション
• 植物処理

• 「ファイトレメディエーション ウェブサイト」 — レビュー、会議のお知らせ、ファイトレメディエーションを行っている企業リスト、参考文献などが掲載されています。2010 年 10 月 17 日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 「鉛と水銀の植物浄化の概要」2000 年 6 月 6 日。有害廃棄物の浄化情報 Web サイト。2011 年 7 月 25 日にWayback Machineにアーカイブされました。
• 「ヒマワリを使った汚染土壌からのヒ素の植物抽出の強化」2004 年 9 月 22 日。米国環境保護庁。
• 「植物抽出」、2000 年 2 月。ブルックヘブン国立研究所 2000 年。
• 「汚染土壌からの金属の植物抽出」2001年4月18日。MMラサット
• 2002 年 7 月。ドナルド ブレン環境科学管理学部。
• 「ファイトレメディエーション」1997年10月。土木環境工学部。2006年6月22日、Wayback Machineにアーカイブ
• 「ファイトレメディエーション」2001 年 6 月、Todd Zynda。
• 「マサチューセッツ州ドーチェスターの住宅地土壌における鉛の植物による浄化」2002 年 5 月。エイミー・ドノヴァン・パーマー、ボストン公衆衛生委員会。
• 「テクノロジー プロファイル: 植物抽出」1997 年。環境ビジネス協会。
• Vassil AD、Kapulnik Y、Raskin I、Salt DE (1998 年 6 月)、「インディアンマスタードによる鉛の輸送と蓄積における EDTA の役割」、Plant Physiol.、117 (2): 447–53、doi :10.1104/pp.117.2.447、PMC  34964、PMID  9625697。
• Salt , DE; Smith, RD; Raskin, I. (1998). 「ファイトレメディエーション 」。植物生理学および植物分子生物学年次レビュー。49 : 643–668。doi :10.1146/annurev.arplant.49.1.643。PMID 15012249。S2CID 241195507  。
• Wang, XJ; Li, FY; Okazaki, M.; Sugisaki, M. (2003). 「汚染土壌の植物による修復」。年次報告書 CESS 3 : 114–123。
• Ancona, V; Barra Caracciolo, A; Grenni, P; Di Lenola, M; Campanale, C; Calabrese, A; Uricchio, VF; Mascolo, G; Massacci, A (2017). 「南イタリアにおける歴史的に PCB および重金属で汚染された地域の植物によるバイオレメディエーション」。New Biotechnology . 38 (Pt B): 65–73. doi :10.1016/j.nbt.2016.09.006. PMID  27686395.
• 「Ancona V、Barra Caracciolo A、Campanale C、De Caprariis B、Grenni P、Uricchio VF、Borello D、2019。植物補助バイオレメディエーションを使用して修復された汚染地域で生産されたポプラバイオマスのガス化処理。環境管理ジャーナル」

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• ミズーリ植物園 (ホスト): ファイトレメディエーションのウェブサイト(Wayback Machineに 2010-10-17 にアーカイブ) —レビュー記事、会議、ファイトレメディエーション リンク、研究スポンサー、書籍とジャーナル、最近の研究。
• International Journal of Phytoremediation —汚染された環境を修復するための植物システムの使用について説明する最新の実験室およびフィールド研究の出版に専念しています。
• 植物を使って土壌を浄化する —農業研究誌より
• ニューアルケミー研究所 —ジョン・トッド（カナダの生物学者）が共同設立