A növények és a mikrobák párosulva eltávolítják a szennyező anyagokat a szennyvízből az ember alkotta vizes élőhelyeken

Ezek a mesterséges ökoszisztémák a növényzetet, a talajt és a mikrobákat használják a szennyvízből származó szennyező anyagok eltávolítására, miközben élőhelyeket biztosítanak, elnyelik a légkörből a szén-dioxidot és növelik az árvizekkel szembeni ellenálló képességet. Az NBS-ek kulcsfontosságúak számos igen fontos uniós szakpolitikai prioritás kezelésében, és az Európai Zöld Megállapodás, az EU 2030-ig tartó biodiverzitási stratégiája és az EU alkalmazkodási stratégiája is támogatja ezeket. Számos, a Horizont Európa által finanszírozott projekt is elősegíti az NBS-sel kapcsolatos kutatásokat.

A tanulmány a legfontosabb géneket, enzimeket és átalakulási útvonalakat vizsgálja

A kémiai hulladéklerakók különféle fizikai, kémiai és biológiai mechanizmusokon keresztül távolítják el a szennyező anyagokat, beleértve a nitrogént, a foszfort, a nehézfémeket és a gyógyszereket. Az egyik kulcsfontosságú biológiai folyamat a mikrobiális kármentesítés, amelynek során a mikroorganizmusok (pl. baktériumok) lebontják, vagy kevésbé káros anyagokká alakítják a szennyező anyagokat. A kutatások feltárták a folyamat optimalizálásának legjobb módjait, de a növények és a mikrobák közötti szinergikus kölcsönhatások a kármentesítés javítása érdekében továbbra sem teljesen ismertek – állítják egy új tanulmány szerzői.

Tanulmányuk célja, hogy ezt a hiányt pótolja a kémiai vízben található mikrobiális kármentesítési mechanizmusok áttekintésével, amely 539 releváns, 2000 januárja és 2025 májusa között világszerte publikált tanulmány eredményein alapul. A tanulmány a legfontosabb géneket, enzimeket és átalakulási útvonalakat vizsgálja, különös tekintettel a növény-mikroba kölcsönhatások szerepére a hagyományos és újonnan megjelenő szennyező anyagok, különösen az antibiotikumok és a policiklusos aromás szénhidrogének (PAH) eltávolításában. Emellett a „bioaugmentációs” stratégiákat is vizsgálják, amelyek során kedvező metabolikus tulajdonságokkal rendelkező specifikus mikrobiális törzseket adnak a kémiai vízhez a szennyező anyagok lebontásának fokozása érdekében.

A növények jelenléte a szerves vizekben akár 11,3%-kal is növeli a szennyezőanyag-eltávolítás átlagos hatékonyságát

Az áttekintés kiemeli, hogy a szennyvíztisztító művek hatékonynak bizonyultak a szennyező anyagok eltávolításában a szennyvízből számos szennyvíztípus (akvakultúra, vidéki, ipari, szennyvíz) esetén; az átlagos eltávolítási hatékonyság 76,9% és 91,9% között mozog olyan szennyező anyagok esetében, mint a nitrogén, a foszfor, a nehézfémek, az antibiotikumok és a PAH-ok. A mikrobiális kármentesítés kulcsszerepet játszik a szennyvíztisztító művekben, az antibiotikumok eltávolításának 90,5%-áért és a PAH-ok eltávolításának 60,9%-áért felelős.

A növények jelenléte a szerves vizekben akár 11,3%-kal is növeli a szennyezőanyag-eltávolítás átlagos hatékonyságát. A kutatók szerint azonban a növények közvetlen szennyezőanyag-felvétele viszonylag alacsony; hatásuk abban rejlik, hogy hogyan lépnek kölcsönhatásba a releváns mikrobákkal és fokozzák azok aktivitását. Ez azért történik, mert a növények gyökerei oxigént szabadítanak fel, fokozva a mikrobiális aktivitást, de azért is, mert a gyökerek olyan vegyi anyagokat (metabolitokat) szabadítanak fel, amelyek energiával és tápanyagokkal látják el a mikrobákat, elősegítve növekedésüket és szaporodásukat.

Ez utóbbi folyamatot a növényi stressz hajtja: a növények hasznos metabolitokat bocsátanak ki jelzésként vagy „segélykiáltásként”, hogy hasznos mikroorganizmusokat toborozzanak. Például a mikrobák képesek megkötni a légkörből a nitrogént a növény táplálására, gombaellenes vegyületeket termelni a növényi kórokozók elhárítására, vagy védő biofilmet képezni a gyökereken. A kutatók szerint azonban, bár a talajökológiában jól dokumentált, a mechanizmussal kapcsolatos kutatások korlátozottak a szerves anyagokban.

Eközben a bioaugmentáció (a hasznos mikrobák közvetlen hozzáadása a kémiai vízhez) akár 16,6%-kal is fokozhatja a hagyományos szennyező anyagok eltávolítását, és akár 64,3%-kal az újonnan felmerülő szennyező anyagok eltávolítását. A kutatók azonban megjegyzik, hogy ezek az eredmények túlnyomórészt rövid távú laboratóriumi kísérletekből származnak, ami rávilágít arra, hogy további kutatásokra van szükség a megállapítások nagyobb léptékű és terepi validálásához.

A baktériumok rögzítése nem egyszerű, de az olyan új technikák, mint a 3D nyomtatás, segíthetnek

A tanulmány azt is megállapítja, hogy a szennyezőanyag-eltávolítási arány akár 14,8%-kal is növelhető, ha mind a növényeket, mind a növényekkel kapcsolatos baktériumokat (gyökerekből, szárakból, gyümölcsökből stb. izolálva) szinergikusan juttatják be a kémiai vízbe. Ez azért lehet, mert ezek a baktériumtörzsek jobban alkalmazkodnak a kémiai vízhez, mint a talajból vagy iszapból izolált törzsek.

A mikrobák stabilizálása és egy lokalizált területre korlátozása eközben akár 21,2%-kal is növelheti a bioremediációs arányt, mint a szabad baktériumok pusztán használata. A baktériumok „rögzítése” – például egy hordozóanyaghoz való rögzítésükkel – megvédheti őket attól, hogy elmosódjanak vagy károsodjanak olyan környezeti feltételek hatására, mint a szélsőséges pH- és hőmérséklet-ingadozások. A baktériumok rögzítése nem egyszerű, jegyzik meg a kutatók, de az olyan új technikák, mint a 3D nyomtatás, segíthetnek.

A bioaugmentációs megközelítés további kihívása, hogy a mikrobák gyakran nem képesek hatékonyan kolonizálódni, sikerüket pedig a fajok közötti versengés akadályozza, ami inkonzisztens kísérleti eredményekhez vezet. A tanulmány szerint több kutatási figyelmet kellene fordítani az optimális mikrobiális „konzorciumok” megtalálására, ahol a különböző baktériumok együttműködnek a szennyezés kármentesítése érdekében.

Jelentős lehetőség van a laboratóriumi eredmények kísérleti és terepi méretű kémiai vízi alkalmazásokká való kiterjesztésére

A kutatók elismerik, az antibiotikum-lebontó baktériumok használatának egyik kockázata, hogy hozzájárulhatnak az antibiotikum-rezisztencia gének (ARG) terjedéséhez – ami komoly veszélyt jelent a globális egészségre. A szintetikus biológiai eszközök, mint például az ARG-t célzó génszerkesztés, enyhíthetik ezeket a kockázatokat, mondják. Ezt a technikát sikeresen alkalmazták különféle baktériumfajokban, például az Escherichia coliban , a Staphylococcus aureusban és a Klebsiella pneumoniae-ben , bizonyítva a kémiai harcokban való alkalmazásának lehetőségét. A kutatók olyan „intelligens” szintetikus mikroorganizmusokat is kifejlesztettek, amelyeket a szennyező anyagok lebontásának befejezése után önmegsemmisítésre programoztak, megakadályozva ezzel ezen mikrobák elszaporodását. Ezen eszközök kémiai harcokban vagy természetes ökoszisztémákban való alkalmazása azonban további értékelést igényel a biztonság, a stabilitás és a skálázhatóság biztosítása érdekében.

A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy jelentős lehetőség van a laboratóriumi eredmények kísérleti és terepi méretű kémiai vízi alkalmazásokká való kiterjesztésére a fenntartható szennyvíztisztítás érdekében. A kémiai vízi szennyvíztisztításban való mikrobiális kármentesítési potenciáljának előmozdításához azonban további kutatásokra van szükség a szennyező anyagok lebontását elősegítő molekuláris mechanizmusok terén. Gondosan értékelni kell a hasznos funkcionális baktériumok kémiai vízi szennyvízbe történő bevezetésének kockázatait, és innovatív technológiákat kell alkalmazni a bioaugmentáció kihívásainak leküzdésére

Forrás: environment.ec.europa.eu/news, Fotó: Taiwankengo, Wikimedia