A fitoremediációra alkalmas növényfajok gyökérzónája sajátos mikrobaközösséggel rendelkezik. A különböző szennyezőanyagok és növényfajok hatására a talajban lezajló mikrobiológiai változásokat vizsgáljuk a Debreceni Egyetem AKIT Nyíregyházi Kutatóintézetének Talajbiológiai laboratóriumában, a Pannon Breeding projekt keretében.
A hagyományos definíció szerint a talaj a földkéreg legkülső, szilárd burka, melynek alapvető tulajdonsága a termékenysége. Ez alapján a talaj egy szilárd, élettelen anyagnak tűnik, ami rendelkezik bizonyos, számunkra kedvező/fontos tulajdonsággal, a termékenységgel. Nézzük meg, mit is takar valójában ez a kifejezés, hogy talaj! Ha részegységekre próbáljuk tagolni, akkor halmazállapot alapján szilárd, folyékony és légnemű alkotórészeket találunk benne. A szilárd halmazállapotú anyag jelentősebb része, általában a talaj térfogatának 4050%-a ásványi anyag. Ehhez jön még az általában 5% alatti mennyiségben előforduló szerves anyag, melyre a magas széntartalom a jellemző. A víz aránya a talaj térfogatának 2–50%-a között változik, mennyiségét, állapotát a talaj szilárd alkotórészeinek minősége alapvetően meghatározza. Szintén hasonló mennyiségben lehet jelen a levegő is a talajokban. Az eddig felsoroltak a talaj szervetlen részét alkotják, melyek mintegy élőhelyet biztosítanak a talaj élő, biotikus alegységét alkotó mikroorganizmusoknak, növény- és állatfajoknak, a növényi gyökereknek.
A mikroorganizmusok közé tartoznak a vírusok, baktériumok, mikroszkopikus gombák. Az ember szempontjából vannak közöttük az életben maradásunkat segítő fajok, és olyanok is, amelyek ránk vagy az állatokra, növényekre veszélyesek lehetnek. A mikroorganizmusok a talajban zajló kémiai átalakulások motorjai. Részt vesznek benne, gyakran irányítják a talajba kerülő szerves anyagok (pl. trágya), valamint a talajra, vizekre, az élővilág többi részére veszélyes szerves és szervetlen szennyezőanyagok lebontását. Ezenkívül képesek arra, hogy támogassák a növényfajok fennmaradását különböző anyagok előállításával és a talajba juttatásával. Bizonyos növényfajok az átlagosnál jobban tűrik a szennyezéseket, képesek pl. testükbe beépíteni a szennyezőanyagokat, ezáltal megtisztítva a talajokat, de jelenlétük legalábbis a talajminőség javítására alkalmas.
A növényi szövetekbe beépített szennyezőanyagok mennyiségét a növényi biomassza mennyisége is ezáltal növelve a növényi biomasszát. Emellett a talajban, a növények gyökere közelében élő mikroorganizmusok képesek segíteni a növények fémfelvételét is. A növények a gyökereiken keresztül a talajba juttatott anyagokkal képesek befolyásolni a mikrobaközösség összetételét, az egyes mikrobák aktivitását. A növény-talaj-mikroba rendszer többirányú kapcsolat eredményeként létrejövő, dinamikusan változó rendszer.
A Pannon Breeding projekt keretében feladatunk a talaj általános mikrobiológiai aktivitásának vizsgálata szennyezett talajmintákban, különböző tesztnövények felhasználásával. Vizsgálatainkat a Fitoremediáció 2. munkacsoport által beállított kísérletekhez kapcsolódva végezzük a DE AKIT Nyíregyházi Kutatóintézetének Talajbiológiai Laboratóriumában. Az eredményeink alátámasztják, hogy egy azonos faj eltérő fajtáinak gyökérkörnyezetében lévő talaj mikrobiológiai aktivitása is különbözik egymástól, ami eltérő mikrobapopulációra utal, de legalábbis a mikroorganizmusok eltérő aktivitását jelzi. Egyes kísérletekben a különböző, de rokon fajok esetében is találtunk különbséget a talaj általános mikrobiológiai aktivitásában, melyet a dehidrogenáz aktivitással jellemezhetünk. Ez az enzimcsoport az élő sejtekben található, míg a mikrobák által termelt enzimek nagyobb része a mikrobasejteken kívül, a talajalkotókhoz kötötten van jelen. Ha a sejten kívüli enzimek által bontható anyag megjelenik a talajban, akkor a mikrobák elkezdik nagyobb mennyiségben előállítani és a környezetbe kijuttatni az adott enzimet, így hozzájutva a számukra fontos enzimtermékhez. A fontosabb elemek (szén, nitrogén, foszfor, kálium, kén) anyagforgalmához kapcsolódó enzimek aktivitásának mérésével kapott eredményekből következtethetünk a talaj biológiai aktivitásának mértékére. Fitoremediációra lágy szárú és fás szárú növények egyaránt alkalmasak lehetnek. A Pannon Breeding projekt keretében lágy szárú növényként cirok (Sorghum bicolor L. Moench ’GK Balázs’) és cirok × szudánifű-hibrid (Sorghum bicolor L. Moench × Sorghum sudanense (Piper) Stapf. ’GK Csaba’) tesztnövények (1-2. kép) szennyezett talajon történő fejlődését vizsgálta a Fitoremediáció 2. munkacsoport. A talajhoz a toxikus elemeket (pl. Cd, Cr, Cu, Mn, Pb, Zn) különböző mennyiségekben tartalmazó, magas szervesanyag-tartalmú anyagokat adtak.
1-2. kép. A tesztnövények: a) cirok; b) cirok × szudánifű-hibrid (fotó: Prof. Dr. Simon László, NYE)
Ezek közül a zöldhulladék-komposzt kereskedelmi forgalomban is kapható, ez volt a kísérletben a referenciaanyag, mely 10%-ban került bele a talajba. A fitoremediáció szempontjából jelentős szennyvízüledék koncentrációja 20% volt a kezelt talajban. Ezeken kívül a kettő kombinációjának hatását is vizsgáltuk, amikor az előbbi mennyiségekben a két anyagot együtt kevertük a talajhoz. A talajmintákat a vizsgált anyagok és a talaj összekeverése után 1,5 hónappal vettük. A talaj nedvességtartalma a mikrobiológiai aktivitás egyik fontos szabályozó tényezője. A száraz talajban a mikrobák által vezérelt biokémiai folyamatok lelassulnak a víz hiánya miatt, míg túl nedves talajban az oxigén hiánya vagy csökkent koncentrációja gátolhatja az aerob mikrobiológiai folyamatokat. Ezért (is) a talajnedvességet rendszeresen mérjük az enzimaktivitások meghatározásakor. A bemutatott kísérletben a tenyészedényeket rendszeresen súlyra öntözték, azaz az elpárolgó vízmennyiség pótlása történt meg. A kísérlet befejezésekor a két növény talajának nedvességtartalma eltérő volt. A cirok × szudánifű-hibrid esetében minden kezelésben alacsonyabb értékeket mértünk, mint a cirok esetében (1. ábra), ami a növények eltérő vízhasznosítására utal, és azt jelzi, hogy a cirok kevesebb vizet párologtat el a talajból a növekedése kezdeti szakaszában. A szerves anyagokkal kezelt talajok nedvességtartalma mindkét növény esetében magasabb volt a kontroll talajnál, amit a szerves anyag vízmegkötő képessége, illetve a hatására javuló fizikai talajtulajdonságok eredményeznek. Az 1. ábra jól példázza, miért fontos megőriznünk, növelnünk talajaink szervesanyag-tartalmát (humusztartalom) a gazdálkodás során. A dehidrogenáz-aktivitás (2. ábra) a szervesanyag-tartalom növekedésével párhuzamosan nőtt a kezelésekben. A két növény talajában mért értékek között minimális különbséget találtunk, de a talajnedvességhez hasonlóan ebben az esetben is a cirokkal vetett talajban mértünk magasabb értékeket. Az, hogy a szennyvízüledék hatására is nőtt a talaj általános aerob mikrobiológiai aktivitása, azt jelzi, hogy az üledékkel a talajba juttatott toxikus elemek ellenére az üledék jó tápanyagforrás a talaj-mikroorganizmusok számára.
1. ábra. A tenyészedényekben mért talajnedvesség-értékek
2. ábra. A kezelésekben mért dehidrogenáz-aktivitás
3. ábra. A kezelésekben mért invertázaktivitás
A nagy molekulájú széntartalmú vegyületek bontásának végén olyan enzimek állnak, melyek végterméke egyszerű cukor. Ezt az utolsó lépcsőt katalizálja pl. az invertázenzim (3. ábra). Láthatjuk, hogy a kontroll talajban általában nagyobb intenzitású az egyszerűbb szerves vegyületek bontása, mint a kezelt talajokban. Nem várt eredmény, hogy a zöldhulladékkomposzt a mintavétel időpontjában lassabban bomlott, mint a szennyezőanyagként kezelt szennyvízüledék, bár az is lehetséges, hogy a kísérlet végére az invertázaktivitás már csökkenő fázisban volt a komposzt jó bonthatósága miatt, erre vonatkozóan azonban nincs adatunk. Az mindenképpen további vizsgálatot igényel, hogy az 1:2:3 arányban növekedő szerves anyag mennyisége (10, 20, 30%-ban a talajhoz adott anyagok) nem eredményezett az általános mikrobiológiai aktivitáshoz hasonló emelkedő invertázaktivitást. A két növényből származó talajminták enzimaktivitása legnagyobb mértékű a cirok × szudánifű-hibrid szennyvízüledékkel kezelt talajában volt.
Továbblépési lehetőségek
Irodalmi és saját eredményeink alapján fontos és hasznos lenne az általános biológiai aktivitás mérése mellett a vizsgált szennyezőanyagok lebontásában, a növények fejlődésének támogatásában fontos szerepet játszó mikroorganizmusok szelekciója és célzott felhasználása a fitoremediációs folyamatokban, ami hozzájárulhat a szennyezett talajok gyorsabb megtisztításához.
SZERZŐ: DR. MAKÁDI MARIANNA – DR. ARANYOS TIBOR JÓZSEF, DEBRECENI EGYETEM AKIT NYÍREGYHÁZI KUTATÓINTÉZET
