«Ульяновский медико-биологический журнал»

BIOLOGICAL SCIENCES

Download article

DOI 10.34014/2227-1848-2024-3-139-154

PHYTOREMEDIATION PROSPECTS FOR SOILS CONTAMINATED WITH HEAVY METALS

V.Yu. Meshcheryakova, N.A. D'yakova, Yu.A. Pavlova

Voronezh State University, Voronezh, Russia

Phytoremediation is an effective technique of using plants to restore contaminated soils.

The aim of this work is to review promising hyperaccumulators with regard to phytoremediation.

Different types of plants, genetic and cellular engineering and other techniques that contribute to soil purification from heavy metals are used for phytoremediation. The paper presents an overview of hyperaccumulators that are able to accumulate various contaminants in the tissues of aboveground organs. The literature search was carried out in such databases as eLIBRARY and CyberLeninka. Plants for phytoremediation should meet a large set of specific criteria. However, no plant can satisfy all of them. Therefore, choosing the most effective plant is a difficult task. The paper analyzes plants used for phytoremediation on the territory of the Russian Federation. The list of studies included in the review demonstrates the peculiarities of certain heavy metal accumulation by different plants. At the same time, the majority of plants used for phytoremediant (about 75 %) accumulate nickel. Only a small number of plants are able to accumulate other heavy metals, such as copper, zinc, cadmium, and lead. Some publications presented in the review indicate that for effective phytoremediation, it is also necessary to pay attention to the soil composition and other external factors. This remark is really crucial.

Currently, phytoremediation is an understudied unpredictable technique for cleaning up contaminated soils. It has not received widespread use yet, but it is promising.

Key words: phytoremediation, heavy metals, hyperaccumulation, soil cleanup.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Author contributions

Research concept and design: D'yakova N.A.

Data collection and processing, experimental design: Meshcheryakova V.Yu.

Data analysis and interpretation: Meshcheryakova V.Yu., D'yakova N.A.

Text writing and editing: D'yakova N.A., Meshcheryakova V.Yu., Pavlova Yu.A.

References

  1. Davydova S.L., Tagasova V.I. Tyazhelye metally kak supertoksikanty XXI v [Heavy metals as supertoxicants of the 21st century]. Moscow: Izd-vo RUDN; 2002. 140 (in Russian).

  2. Bizilli S.P., Rugh C.L., Meagher R.B. Phytodetoxification of hazardous orgsnomercurialis by geneyically engineered plants. Nat. Biotechnol. 2000; 18: 213–217.

  3. Suyundukov Ya.T., Mirkin B.M., Abdullin Sh.R., Khasanova G.R., Sal'manova E.F. Rol' fitomelioratsii v vosproizvodstve plodorodiya chernozemov Zaural'ya (Bashkiriya) [The role of phytomelioration in reproducing black soil productivity in the Trans-Ural region (Bashkiria)]. Pochvovedenie. 2007; 10: 1217–1225 (in Russian).

  4. Prasad M.N. Prakticheskoe ispol'zovanie rasteniy dlya vosstanovleniya ekosistem, zagryaznennykh metallami [Practical use of plants for restoration of ecosystems polluted by metals]. Fiziologiya rasteniy. 2003; 50 (5): 768–780 (in Russian).

  5. Koptsik G.N. Problemy i perspektivy fitoremediatsii pochv, zagryaznennykh tyazhelymi metallami (obzor literatury) [Problems and prospects for phytoremediation of soils contaminated with heavy metals (literature review)]. Pochvovedenie. 2014; 9: 1113 (in Russian).

  6. Ushakova E.S. Sposob ochistki pochv g. Omutninska, soderzhashchikh tyazhelye metally, s pomoshch'yu rasteniy-giperakkumulyatorov [Cleaning soils containing heavy metals using hyperaccumulators, Omutninsk city case-study]. Sovremennye nauchnye issledovaniya i razrabotki. 2018; 3 (12 (29)): 130–131 (in Russian).

  7. Ghosh M., Singh S.P. A Review on Phytoremediation of Heavy Metals and Utilization of It’s by Products. Asian Journal of Energy and Environment. 2005; 6 (4): 214.

  8. Tangahu B.V., Abdullah S.R.S., Basri H. A Review on Heavy Metals (As, Pb, and Hg) Uptake by Plants Through Phytoremediation. International Journal of Chemical Engineering. 2011; 2011: 939161. DOI: 10.1155/2011/939161.

  9. Andreeva I.V., Baybekov R.F., Zlobina M.V. Fitoremediatsiya pochv, zagryaznennykh tyazhelymi metallami [Phytoremediation of soils contaminated with heavy metals]. Melioratsiya i rekul'tivatsiya, ekologiya. 2009; 5: 5–11 (in Russian).

  10. Titov A.F., Talanova V.V., Kaznina N.M. Fiziologicheskie osnovy ustoychivosti rasteniy k tyazhelym metallam: uchebnoe posobie [Physiological bases of plant resistance to heavy metals: Textbook]. Petrozavodsk: Karel'skiy nauchnyy tsentr RAN; 2011. 77 (in Russian).

  11. Koptsik G.N. Sovremennye podkhody k remediatsii pochv, zagryaznennykh tyazhelymi metallami (obzor literatury) [Modern approaches to remediation of soils contaminated with heavy metals (literature review)]. Pochvovedenie. 2014; 7: 851–868 (in Russian).

  12. Saraswat S. Rai J.P.N. Phytoextraction potential of six plant species grown in multi-metal contaminated soil. Chemistry and Ecology. 2009; 25 (1): 1–11.

  13. Mohamed Saber, Hussein F. Abuouziena, Essam Hoballah, Fatma AbdElzaher, AzzaTurkey, Alaa Zaghloul. Risk assessment and mitigation measures for certain amendments used in the bioremediation of sewaged soils. Int. J. Chem Tech Res. 2015; 8 (6): 423–440.

  14. Bouwman L.A., Bloem J., Romkens P.F., Boon G.T., Vangronsveld J. Beneficial effects of the growth of metal tolerant grass on biological and chemical parameters in copper- and zinc-contaminated sandy soils. Minerva Biotechnologica. 2001; 13: 19–26.

  15. McCutcheon S.C., Schnoor J.L. Overview of phytotransformation and control of wastes. Phytoremediation: transformation and control of contaminants. New York: John Wiley; 2003: 3–58.

  16. Sklyarova A.A., Zadera M.I. O vozmozhnosti primeneniya metoda fitoremediatsii dlya pochv sel'skokhozyaystvennogo naznacheniya, zagryaznennykh tyazhelymi metallami, primenitel'no k pochvam oktyabr'skogo rayona [Phytoremediation technique for agricultural soils contaminated with heavy metals in Oktyabrsky district]. Molodaya nauka agrarnogo Dona: traditsii, opyt, innovatsii. 2018; 2-2: 102–105 (in Russian).

  17. Srivastava N. Role of phytochelatins in phytoremediation of heavy metals contaminated soils. Phytoremediation. Cham: Springer International Publishing; 2016: 393–419.

  18. Klevtsova M.A., Voronin A.A., Lepeshkina L.A., Li Chzhao. Rasteniya-akkumulyatory tyazhelykh metallov i vozmozhnosti ikh ispol'zovaniya v ekologicheskoy restavratsii pochv [Plants-accumulators of heavy metals and their use in ecological restoration of soils]. Sovremennye problemy introduktsii i sokhraneniya bioraznoobraziya rasteniy: materialy 3-y zaochnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Modern problems of introduction and conservation of plant biodiversity: Proceedings of the 3rd research-to-practice conference]. Voronezh, 2017: 156–159 (in Russian).

  19. Panchenko L.V., Muratova A.Yu., Turkovskaya O.V., Malakhovskaya L.V. Estestvennaya i eksperimental'naya fitoremediatsiya zagryaznennoy tyazhelymi metallami pochvy s territorii neftepererabatyvayushchego zavoda [Natural and experimental phytoremediation of soils contaminated with heavy metals from an oil refinery]. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta. 2009; 10: 585–589 (in Russian).

  20. Leštan D., Luo C., Li X. The use of chelating agents in the remediation of metalcontaminated soils: A review. Environ. Pollut. 2008; 153: 3–13.

  21. Bhargava A., Carmona F.F., Bhargava M., Srivastava S. Approaches for enhanced phytoextraction of heavy metals. J. Environ. Manag. 2012; 105: 103–120.

  22. Baker A. Accumulators and excluders-strategies in the response of plants to heavy metals. J. Plant Nutr. 1981; 3 (1-4): 643–654.

  23. Galiulin R.V., Bashkin V.N., Galiulina R.R. Vliyanie effektorov fitoekstraktsii na fermentnuyu aktivnost' pochvy, zagryaznennoy tyazhelymi metallami [Phytoextraction effectors for enzymatic activity of soils contaminated with heavy metals]. Agrokhimiya. 1998; 7: 77–86 (in Russian).

  24. Atamanova E.B. Rol' EDTA i limonnoy kisloty v fitoremediatsii drevesnymi rasteniyami territoriy Kostromskoy oblasti, zagryaznennykh med'yu [The role of EDTA and citric acid in woody plant phytoremediation of copper-contaminated areas of the Kostroma region]. Aktual'nye problemy i perspektivy razvitiya lesopromyshlennogo kompleksa: materialy IV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Current problems and prospects for the development of the forest industry complex: Proceedings of the 4th International Research-to Practicce Conference]. Kostroma: Kostromskoy gosudarstvennyy universitet; 2021: 207–210 (in Russian).

  25. Lukatkin A.S., Pugaev S.V. Sposob podgotovki zagryaznennoy tyazhelymi metallami pochvy dlya fitoremediatsii: patent RU2670253C1 [Technique for preparing soils contaminated with heavy metals for phytoremediation: Patent RU2670253C1] (in Russian).

  26. Ol'shanskaya L.N., Khalieva A.S., Kuznetsova A.A. Vliyanie obrabotki semyan v postoyannom magnitnom pole na protsessy rosta i razvitiya rasteniy i fitoremediatsiyu imi pochvy ot kationov medi i svintsa [Effect of seed treatment in a constant magnetic field on the processes of plant growth and development and phytoremediation of soil from copper and lead cations]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2013; 16 (13): 154–158 (in Russian).

  27. Prasad M.N.V., Freitas H.M.O. Metal hyperaccumulation in plants – Biodiversity prospecting for phytoremediation technology. Electronic J. of Biotechnology. 2003; 6 (3): 285–321.

  28. Yin-Ming Li, Rufus L. Chaney, Roger D. Reeves, J. Scott Angle, Alan J.M. Baker. Thlaspi caerulescens subspeciesfor cadmium and zinc recovery: patent US7049492B1.

  29. Rufus L. Chaney, Jay Scott Angle, Alan J.M. Baker, Yin-Ming Li. Method for phytomining of nickel, cobalt and other metals from soil: patent US5711784.

  30. Yuan Yi Ning, Lu Ming. Method for treating antimony, arsenic, lead and zinc-polluted soil or water body by using hyperaccumulator Arthraxon hispidus: patent CN104174638.

  31. Wang Z., Liu X., Qin H. Bioconcentration and translocation of heavy metals in the soil-plants system in Machangqing copper mine, Yunnan Province, China. Journal of Geochemical Exploration. 2019; 200: 159–166.

  32. Pulford I.D., Watson C. Phytoremediation of heavy metalcontaminated land by trees – a review. Environment International. 2003; 29: 529–540.

  33. Wieshammer G., Unterbrunner R., Bañares García T., Zivkovic M.F., Puschenreiter M., Wenzel W.W. Phytoextraction of Cd and Zn from agricultural soils by Salix ssp. and intercropping of Salix caprea and Arabidopsis halleri. Plant and Soil. 2007; 298: 255–264.

  34. Brunner I., Luster J., Günthardt-Goerg M.S., Frey B. Heavy metal accumulation and phytostabilisation potential of tree fine roots in a contaminated soil. Environ. Pollut. 2008; 152: 559–568.

  35. Kolesnikova A.A., Kachmar A.P., Frunze O.V. Fitoremediatsiya pochv, zagryaznennykh ionami kobal'ta, margantsa i khroma [Phytoremediation of soils contaminated with cobalt, manganese and chromium ions]. Donetskie chteniya 2019: obrazovanie, nauka, innovatsii, kul'tura i vyzovy sovremennosti: materialy IV Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii [Donetsk Readings 2019: Education, Research, Innovation, Culture and Challenges of Our Time: Proceedings of the 4th International Scientific Conference]. Donetsk: Donetskiy natsional'nyy universitet; 2019: 347–349 (in Russian).

  36. Bhargava A., Carmona F.F., Bhargava M., Srivastava S. Approaches for enhanced phytoextraction of heavy metals. J. Environ. Manag. 2012; 105: 103–120.

  37. Martínez M., Bernal P., Almela C., Vélez D., García-Agustín P., Serrano R., Navarro-Aviñó J. An engineered plant that accumulates higher levels of heavy metals than Thlaspi caerulescens, with yields of 100 times more biomass in mine soils. Chemosphere. 2006; 64: 478–485.

  38. Postrigan' B.N., Knyazev A.V., Kuluev B.R., Yakhin O.I., Chemeris A.V. Aktivnost' sinteticheskogo psevdofitokhelatinovogo gena v rasteniyakh tabaka [Potency of the synthetic pseudophytochelatin gene in tobacco plants]. Fiziologiya rasteniy. 2012; 59 (2): 303–308 (in Russian).

  39. Alford É.R., PilonSmits E.A.H., Paschke M.W. Metallophytes – a view from the rhizosphere. Plant Soil. 2010; 337: 33–50.

  40. Hu Jiangqin, Pang Jiliang, Wang Lilin, Xiang Taihe, Zhang Daoxiang. Cultivating method of transgenic petunia capable of removing environmental pollutants efficiently: patent CN101768603.

  41. Terry Norman, Pilon-Smits Elizabeth, Zhu Yong Liang. Heavy metal phytoremediation: patent US6576816.

  42. Gladkov E.A., Gladkova O.V. Ekobiogeotekhnologicheskie podkhody dlya povysheniya koeffitsienta biologicheskogo pogloshcheniya rasteniy v fitoremediatsii. Izvestiya Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta [Ecobiogeotechnological approaches for increasing the biological absorption of plants in phytoremediation]. Nauki o zemle. 2019; 4 (4): 32–40 (in Russian).

  43. Bhargava A., Carmona F.F., Bhargava M., Srivastava S. Approaches for enhanced phytoextraction of heavy metals. J. Environ. Manag. 2012; 105: 103–120.

  44. Wei S., da Silva J.A.T., Zhou Q. Agroimproving method of phytoextracting heavy metal contaminated soil. J. Hazard. Materials. 2008; 150: 662–668.

  45. Korzh O.P., Savchenko I.G., Gura N.O. Fitopemediatsiyniy cnocib ochishcheniya gruntiv vid vazhkikh metaliv: patent UA76416 [Phytoremediation technique for cleaning groundwater from heavy metals: Patent UA76416] (in Ukraine).

  46. Postnikov D.A. Sposob ochistki pochv ot tyazhelykh metallov: patent RU2365078S1 [Techniques for cleaning soils from heavy metals: Patent RU2365078C1] (in Russian).

  47. Kireycheva L.V., Il'inskiy A.V., Yashin V.M. K voprosu fitoremediatsii pochv, zagryaznennykh kompleksom tyazhelykh metallov [On the issue of phytoremediation of soils contaminated with heavy metals]. Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo. 2016; 4: 8–13 (in Russian).

  48. Volkov K.S., Ivanova E.M., Veliksar S.G. Vozmozhnosti ispol'zovaniya rasteniy razlichnykh semeystv v tselyakh fitoremediatsii zagryaznennykh med'yu territoriy [Using plants of different families for phytoremediation of copper-contaminated territories]. Problemy regional'noy ekologii. 2013; 1: 97–101 (in Russian).

  49. Alekseeva-Popova N.V., Drozdova I.V., Kalimova I.B. Kontsentrirovanie tyazhelykh metallov vidami sem. Cruciferae flory severnogo Kavkaza v svyazi s problemoy fitoremediatsii [Concentration of heavy metals by species of the Cruciferae family in the North Caucasus: Phytoremediation problem]. Geokhimiya. 2015; 5: 466–474 (in Russian).

  50. Ol'shanskaya L.N., Tarushkina Yu.A., Stoyanov A.V., Russkikh M.L. Fitoremediatsionnye tekhnologii v zashchite gidrosfery: monografiya [Phytoremediation technologies for hydrosphere protection: Monograph]. Saratov: Sarat. gos. tekhn. un-t.; 2011. 136 (in Russian).

  51. Postnikov D.A. Fitomelioratsiya i fitoremediatsiya pochv sel'skokhozyaystvennogo naznacheniya s razlichnoy stepen'yu okul'turennosti i ekologicheskoy nagruzki [Phytomelioration and phytoremediation of agricultural soils with various cultural state and environmental load]: avtoref. dis. … d-ra s.kh. nauk. Bryansk: Izdat. tsentr FGOU VPO MGAU; 2009 (in Russian).

  52. Khusnidinov Sh.K., Zamashchikov R.V., Dmitriev N.N., Butyrin M.V., Sosnitskaya T.N., Dagurov A.V. Sposob ochistki pochv, zagryaznennykh mysh'yakom, kadmiem i svintsom, s ispol'zovaniem sverbigi vostochnoy: patent RU2020120991 [Method for cleaning soils contaminated with arsenic, cadmium and lead using eastern sverbiga: Patent RU2020120991] (in Russian).

  53. Tebieva D.I., Bekuzarova S.A., Bekmurzov A.D., Kebalova L.A. Sposob fitoremediatsii avtomobil'nykh dorog: patent RU2020110423 [Method for motorway phytoremediation: Patent RU2020110423] (in Russian).

  54. Smirnov Yu.D., Kremcheev E.A., Matveeva V.A., Chukaeva M.A., Gromyka D.S. Sposob ochistki pochv ot tyazhelykh metallov: patent RU2019124369 [Method for cleaning soils from heavy metals: Patent RU2019124369] (in Russian).

  55. Ozerova D.V. Izuchenie protsessa fitoremediatsii pochv, zagryaznennykh tyazhelymi metallami [Studying the process of phytoremediation of soils contaminated with heavy metals]. Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya molodykh uchenykh BGTU im. V.G. Shukhova [International research and technical conference of young scientists, Belgorod State Technical University named after V.G. Shukhov]. Belgorod: Belgorodskiy gosudarstvennyy tekhnologicheskiy universitet im. V.G. Shukhova; 2015: 499–500 (in Russian).

  56. Salt D.E., Prince R.C., Pickering I. J., Raskin I. Mechanisms of cadmium mobility and accumulation in Indian Mustard. Plant Physiol. 1995; 109: 1427–1433.

  57. Hart J.J., Welch R.M., Norvell W.A., Sullivan L.A., Kochian L.V. Characterization of cadmium binding, uptake and translocation in intact seedlings of bread and durum wheat cultivars. Plant Physiol. 1998; 116: 1413–1420.

  58. Ul'rikh D.V., Timofeeva S.S. Fitoremediatsiya zagryaznennykh pochv i tekhnogennykh gruntov khvostokhranilishch na territorii mednorudnykh predpriyatiy yuzhnogo Urala [Phytoremediation of contaminated soils and technogenic grounds of tailings dumps on the territory of copper ore enterprises of the Southern Urals]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' (nauchno-tekhnicheskiy zhurnal). 2016; 3: 341–349 (in Russian).

  59. Zhang Xingli, Zhou Qixing, Shi Honglei, Gao Yuanyuan. Method for restoring Cd-polychlorinated dibenzofurans polluted soil by utilizing French marigold: patent CN103480625.

  60. Lin Maohong, Zhou Qixing, Su Hui, Zhou Ruiren, Gao Yuanyuan. Method for remediating soil polluted with cadmiumpolychlorinated biphenyl compounds: patent CN103191915.

  61. Jing Yande. New application of French marigold, Balsamine and Nephrolepis auriculata on repairing contaminated soil: patent CN102886377.

  62. Gal'chenko S.V., Cherdakova A.S. Fitoremediatsiya gorodskikh pochv tsinerariey serebristoy (Cineraria Silverdust L.) [Phytoremediation of urban soils by Cineraria Silverdust L.]. Nauka, obrazovanie, proizvodstvo v reshenii ekologicheskikh problem (Ekologiya-2021): materialy XVII Mezhdunarodnoy nauchno‐tekhnicheskoy konferentsii: v 2 t [Research, education, and industry in solving environmental problems (Ecology-2021): Proceedings of the 17th International Research and Technical Conference: In 2 volumes]. Ufa: Ufimskiy gosudarstvennyy aviatsionnyy tekhnicheskiy universitet; 2021: 49–55 (in Russian).

  63. Vysotskiy S.P., Frknze O.V. Tekhnologiya fitoremediatsii zagryaznennykh tyazhelymi metallami pochv s pomoshch'yu dekorativnykh travyanistykh rasteniy [phytoremediation techniques for soils contaminated with heavy metals using ornamental herbaceous plants]. Vestnik Donbasskoy natsional'noy akademii stroitel'stva i arkhitektury. 2019; 5 (139): 105–112 (in Russian).

  64. Dovban K.I. Zelenye udobreniya v sovremennom zemledelii: voprosy teorii i praktiki [Green fertilizers in modern agriculture: Theoretical and practical issues]. Minsk: Belorusskaya nauka; 2009. 404. (in Russian).

  65. Gal'chenko S.V., Mazhayskiy Yu.A., Guseva T.M., Cherdakova A.S. Fitoremediatsiya gorodskikh pochv, zagryaznennykh tyazhelymi metallami, dekorativnymi tsvetochnymi kul'turami [Phytoremediation of urban soils contaminated with heavy metals by ornamental flower crops]. Vestnik Ryazanskogo gosudarstvennogo universiteta imeni S.A. Esenina. 2015; 4 (49) (in Russian).

  66. Frunze O.V. Fitoremediatsiya zagryaznennykh tyazhelymi metallami pochv s pomoshch'yu drevesnykh rasteniy [Phytoremediation of soils contaminated with heavy metals using woody plants]. Biodiagnostika sostoyaniya prirodnykh i prirodno-tekhnogennykh sistem: materialy ХIX Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii c mezhdunarodnym uchastiem [Biodiagnostics of natural and natural-technogenic systems: Proceedings of the 19th All-Russian research and practical conference with international participation]. Kirov: Vyatskiy gosudarstvennyy universitet; 2021: 332–334 (in Russian).

  67. Anilova L.V., Sal'nikova E.V., Primak O.V., Sharygina M.V. Perspektivy fitoremediatsii pochvennogo pokrova urbanizirovannykh territoriy (na primere g. Orenburga) [Prospects for phytoremediation of the soil cover in the urbanized territories of the Orenburg city]. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta. 2012; 6 (142): 82–85 (in Russian).

  68. Yashin V.M., Pylenok P.I., Mayssner R., Rupp Kh. Otsenka zagryazneniya i perspektivy fitoremediatsii allyuvial'nykh pochv Okskoy poymy [Pollution assessment and phytoremediation prospects of alluvial soils of the Oka floodplain]. Novye metody i rezul'taty issledovaniy landshaftov v Evrope, tsentral'noy Azii i Sibiri [New methods and results of landscape studies in Europe, Central Asia and Siberia]: monografiya: v 5 t. Moscow: Vserossiyskiy nauchno-issledovatel'skiy institut agrokhimii im. D.N. Pryanishnikova; 2018: 212–217 (in Russian).

  69. Lukatkin A.S., Bashmakov D.I. Sposob biologicheskoy ochistki pochv: patent RU2231944C2 [Method for biological purification of soils: Patent RU2231944C2] (in Russian).

  70. Abdullaev S.F., Safaraliev N.M., Partoev K. Issledovanie biologicheskogo pogloshcheniya tyazhelykh metallov rasteniem-fitoremediantom – topinamburom (Helianthus tuberosus l.) [Study of biological accumulation of heavy metals by a phytoremediant plant – Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus l.)]. Khimicheskaya bezopasnost'. 2019; 3 (1): 110–117 (in Russian).

  71. Roemer W., Kang D., Egle K., Gerke J., Keller H. The acquisition of cadmium by Lupinus albus L., Lupinus angustifolius L., and Lolium multiflorum Lam. J. of Plant Nutr. and Soil Sci. 2000; 163: 623–628.

  72. Trejo N., Matus I., Pozo A., Walter I., Hirzel J. Cadmium phytoextraction capacity of white lupine (Lupinus albus L.) and narrow-leafed lupine (Lupinus angustifolius L.) in three contrasting agroclimatic conditions of Chile. Chilean J. Agric. Res. 2016; 76 (2): 228–235.

  73. Fumagalli P., Comolli R., Ferre Ch., Ghiani A., Gentili R., Citterio S. The rotation of white lupin (Lupinus albus L.) with metal-accumulating plant crops: A strategy to increase the benefits of soil phytoremediation. Journal of Environmental Management. 2014; 145: 35–42.

  74. Bolysheva T.N., Kasatikov V.A., Abakar A.U. Ispol'zovanie lyupina uzkolistnogo (Lupinus Angustifolius L.) dlya fitoremediatsii pochv s polimetallicheskim zagryazneniem [Use of narrow-leaved lupine (Lupinus Angustifolius L.) for phytoremediation of soils with polymetallic contamination]. Problemy agrokhimii i ekologii. 2016; 4: 51–53 (in Russian).

  75. Kurilenko V.V., Osmolovskaya N.G. Fitoremediatsionnyy sposob ochistki pochv, zagryaznennykh tyazhelymi metallami: patent RU2017137084 [Phytoremediation method for cleaning soils contaminated with heavy metals: Patent RU2017137084] (in Russian).

Received March 02, 2024; accepted April 19, 2024.

Information about the authors

Meshcheryakova Viktoriya Yur'evna, Medical Resident, Chair of Pharmaceutical Chemistry and Pharmaceutical Technology, Voronezh State University. 394018, Russia, Voronezh, Universitetskaya Sq., 1; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-6648-8024

D'yakova Nina Alekseevna, Doctor of Sciences (Pharmaceutical Sciences), Associate Professor, Chair of Pharmaceutical Chemistry and Pharmaceutical Technology, Voronezh State University. 394018, Russia, Voronezh, Universitetskaya Sq., 1; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-0766-3881

Pavlova Yuliya Aleksandrovna, Teaching Assistant, Chair of Pharmaceutical Chemistry and Pharmaceutical Technology, Voronezh State University. 394018, Russia, Voronezh, Universitetskaya Sq., 1; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-1204-927X

For citation

Meshcheryakova V.Yu., D'yakova N.A., Pavlova Yu.A. Perspektivy ispol'zovaniya razlichnykh rasteniy s tsel'yu fitoremediatsii pochv, zagryaznennykh tyazhelymi metallami [Phytoremediation prospects for soils contaminated with heavy metals]. Ul'yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2024; 3: 139–154. DOI: 10.34014/2227-1848-2024-3-139-154 (in Russian).

 

Скачать статью

УДК 574.24

DOI 10.34014/2227-1848-2024-3-139-154

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ РАСТЕНИЙ С ЦЕЛЬЮ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

В.Ю. Мещерякова, Н.А. Дьякова, Ю.А. Павлова

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», г. Воронеж, Россия

 

Эффективным методом биологической реставрации загрязненных почв с помощью растений является фиторемедиация.

Целью данной работы является обзор перспективных с точки зрения фиторемедиации растений-гипераккумуляторов.

Для решения задач фиторемедиации используют разные виды растений, генную и клеточную инженерию и другие приемы, способствующие повышению эффективности очистки почв от тяжелых металлов. В работе представлен обзор опыта использования растений-гипераккумуляторов, которые способны концентрировать в тканях надземных органов различные поллютанты. Поиск литературы осуществлялся в базах данных eLIBRARY, КиберЛенинка. Растения, подходящие для целей фиторемедиации, должны соответствовать большому набору определенных критериев, однако ни одно растение не способно удовлетворить их все, в связи с чем выбор наиболее эффективного является сложной задачей. В работе проведен анализ растений, используемых в качестве фиторемедиантов на территории Российской Федерации. Перечень исследований, входящих в обзор, демонстрирует избирательность поглощения тех или иных тяжелых металлов разными видами растений. При этом большая часть (около 75 %) растений-фиторемедиантов являются аккумуляторами никеля. Лишь небольшое число растений способно аккумулировать другие тяжелые металлы, такие как медь, цинк, кадмий, свинец. В некоторых публикациях, представленных в обзоре, указывается, что для достижения эффективности фиторемедиации необходимо также уделять внимание почвенному составу и другим внешним факторам.

Фиторемедиация на сегодняшний день является недостаточно изученным и непрогнозируемым способом очистки загрязненных почв, не получившим широкого применения, однако являющимся перспективным.

Ключевые слова: фиторемедиация, тяжелые металлы, гипераккумуляция, очистка почв.

 

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Концепция и дизайн исследования: Дьякова Н.А.

Сбор, планирование эксперимента, обработка материала: Мещерякова В.Ю.

Анализ и интерпретация данных: Мещерякова В.Ю., Дьякова Н.А.

Написание и редактирование текста: Дьякова Н.А., Мещерякова В.Ю., Павлова Ю.А.

 

Литература

  1. Давыдова С.Л., Тагасова В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI в. М.: Изд-во РУДН; 2002. 140.

  2. Bizilli S.P., Rugh C.L., Meagher R.B. Phytodetoxification of hazardous orgsnomercurialis by geneyically engineered plants. Nat. Biotechnol. 2000; 18: 213–217.

  3. Суюндуков Я.Т., Миркин Б.М., Абдуллин Ш.Р., Хасанова Г.Р., Сальманова Э.Ф. Роль фитомелиорации в воспроизводстве плодородия черноземов Зауралья (Башкирия). Почвоведение. 2007; 10: 1217–1225.

  4. Прасад М.Н. Практическое использование растений для восстановления экосистем, загрязненных металлами. Физиология растений. 2003; 50 (5): 768–780.

  5. Копцик Г.Н. Проблемы и перспективы фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы). Почвоведение. 2014; 9: 1113.

  6. Ушакова Е.С. Способ очистки почв г. Омутнинска, содержащих тяжелые металлы, с помощью растений-гипераккумуляторов. Современные научные исследования и разработки. 2018; 3 (12 (29)): 130–131.

  7. Ghosh M., Singh S.P. A Review on Phytoremediation of Heavy Metals and Utilization of It’s by Products. Asian Journal of Energy and Environment. 2005; 6 (4): 214.

  8. Tangahu B.V., Abdullah S.R.S., Basri H. A Review on Heavy Metals (As, Pb, and Hg) Uptake by Plants Through Phytoremediation. International Journal of Chemical Engineering. 2011; 2011: 939161. DOI: 10.1155/2011/939161.

  9. Андреева И.В., Байбеков Р.Ф., Злобина М.В. Фиторемедиация почв, загрязненных тяжелыми металлами. Мелиорация и рекультивация, экология. 2009; 5: 5–11.

  10. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам: учебное пособие. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН; 2011. 77.

  11. Копцик Г.Н. Современные подходы к ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы). Почвоведение. 2014; 7: 851–868.

  12. Saraswat S. Rai J.P.N. Phytoextraction potential of six plant species grown in multi-metal contaminated soil. Chemistry and Ecology. 2009; 25 (1): 1–11.

  13. Mohamed Saber, Hussein F. Abuouziena, Essam Hoballah, Fatma AbdElzaher, AzzaTurkey, Alaa Zaghloul. Risk assessment and mitigation measures for certain amendments used in the bioremediation of sewaged soils. Int. J. Chem Tech Res. 2015; 8 (6): 423–440.

  14. Bouwman L.A., Bloem J., Romkens P.F., Boon G.T., Vangronsveld J. Beneficial effects of the growth of metal tolerant grass on biological and chemical parameters in copper- and zinc-contaminated sandy soils. Minerva Biotechnologica. 2001; 13: 19–26.

  15. McCutcheon S.C., Schnoor J.L. Overview of phytotransformation and control of wastes. Phytoremediation: transformation and control of contaminants. New York: John Wiley; 2003: 3–58.

  16. Склярова А.А., Задёра М.И. О возможности применения метода фиторемедиации для почв сельскохозяйственного назначения, загрязненных тяжелыми металлами, применительно к почвам октябрьского района. Молодая наука аграрного Дона: традиции, опыт, инновации. 2018; 2-2: 102–105.

  17. Srivastava N. Role of phytochelatins in phytoremediation of heavy metals contaminated soils. Phytoremediation. Cham: Springer International Publishing; 2016: 393–419.

  18. Клевцова М.А., Воронин А.А., Лепешкина Л.А., Ли Чжао. Растения-аккумуляторы тяжелых металлов и возможности их использования в экологической реставрации почв. Современные проблемы интродукции и сохранения биоразнообразия растений: материалы 3-й заочной научно-практической конференции. Воронеж, 2017: 156–159.

  19. Панченко Л.В., Муратова А.Ю., Турковская О.В., Малаховская Л.В. Естественная и экспериментальная фиторемедиация загрязненной тяжелыми металлами почвы с территории нефтеперерабатывающего завода. Вестник Оренбургского государственного университета. 2009; 10: 585–589.

  20. Leštan D., Luo C., Li X. The use of chelating agents in the remediation of metalcontaminated soils: A review. Environ. Pollut. 2008; 153: 3–13.

  21. Bhargava A., Carmona F.F., Bhargava M., Srivastava S. Approaches for enhanced phytoextraction of heavy metals. J. Environ. Manag. 2012; 105: 103–120.

  22. Baker A. Accumulators and excluders-strategies in the response of plants to heavy metals. J. Plant Nutr. 1981; 3 (1-4): 643–654.

  23. Галиулин Р.В., Башкин В.Н., Галиулина Р.Р. Влияние эффекторов фитоэкстракции на ферментную активность почвы, загрязненной тяжелыми металлами. Агрохимия. 1998; 7: 77–86.

  24. Атаманова Е.Б. Роль ЭДТА и лимонной кислоты в фиторемедиации древесными растениями территорий Костромской области, загрязненных медью. Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса: материалы IV Международной научно-практической конференции. Кострома: Костромской государственный университет; 2021: 207–210.

  25. Лукаткин А.С., Пугаев С.В. Способ подготовки загрязненной тяжелыми металлами почвы для фиторемедиации: патент RU2670253C1.

  26. Ольшанская Л.Н., Халиева А.С., Кузнецова А.А. Влияние обработки семян в постоянном магнитном поле на процессы роста и развития растений и фиторемедиацию ими почвы от катионов меди и свинца. Вестник Казанского технологического университета. 2013; 16 (13): 154–158.

  27. Prasad M.N.V., Freitas H.M.O. Metal hyperaccumulation in plants – Biodiversity prospecting for phytoremediation technology. Electronic J. of Biotechnology. 2003; 6 (3): 285–321.

  28. Yin-Ming Li, Rufus L. Chaney, Roger D. Reeves, J. Scott Angle, Alan J.M. Baker. Thlaspi caerulescens subspeciesfor cadmium and zinc recovery: patent US7049492B1.

  29. Rufus L. Chaney, Jay Scott Angle, Alan J.M. Baker, Yin-Ming Li. Method for phytomining of nickel, cobalt and other metals from soil: patent US5711784.

  30. Yuan Yi Ning, Lu Ming. Method for treating antimony, arsenic, lead and zinc-polluted soil or water body by using hyperaccumulator Arthraxon hispidus: patent CN104174638.

  31. Wang Z., Liu X., Qin H. Bioconcentration and translocation of heavy metals in the soil-plants system in Machangqing copper mine, Yunnan Province, China. Journal of Geochemical Exploration. 2019; 200: 159–166.

  32. Pulford I.D., Watson C. Phytoremediation of heavy metalcontaminated land by trees – a review. Environment International. 2003; 29: 529–540.

  33. Wieshammer G., Unterbrunner R., Bañares García T., Zivkovic M.F., Puschenreiter M., Wenzel W.W. Phytoextraction of Cd and Zn from agricultural soils by Salix ssp. and intercropping of Salix caprea and Arabidopsis halleri. Plant and Soil. 2007; 298: 255–264.

  34. Brunner I., Luster J., Günthardt-Goerg M.S., Frey B. Heavy metal accumulation and phytostabilisation potential of tree fine roots in a contaminated soil. Environ. Pollut. 2008; 152: 559–568.

  35. Колесникова А.А., Качмар А.П., Фрунзе О.В. Фиторемедиация почв, загрязненных ионами кобальта, марганца и хрома. Донецкие чтения 2019: образование, наука, инновации, культура и вызовы современности: материалы IV Международной научной конференции. Донецк: Донецкий национальный университет; 2019: 347–349.

  36. Bhargava A., Carmona F.F., Bhargava M., Srivastava S. Approaches for enhanced phytoextraction of heavy metals. J. Environ. Manag. 2012; 105: 103–120.

  37. Martínez M., Bernal P., Almela C., Vélez D., García-Agustín P., Serrano R., Navarro-Aviñó J. An engineered plant that accumulates higher levels of heavy metals than Thlaspi caerulescens, with yields of 100 times more biomass in mine soils. Chemosphere. 2006; 64: 478–485.

  38. Постригань Б.Н., Князев А.В., Кулуев Б.Р., Яхин О.И., Чемерис А.В. Активность синтетического псевдофитохелатинового гена в растениях табака. Физиология растений. 2012; 59 (2): 303–308.

  39. Alford É.R., PilonSmits E.A.H., Paschke M.W. Metallophytes – a view from the rhizosphere. Plant Soil. 2010; 337: 33–50.

  40. Hu Jiangqin, Pang Jiliang, Wang Lilin, Xiang Taihe, Zhang Daoxiang. Cultivating method of transgenic petunia capable of removing environmental pollutants efficiently: patent CN101768603.

  41. Terry Norman, Pilon-Smits Elizabeth, Zhu Yong Liang. Heavy metal phytoremediation: patent US6576816.

  42. Гладков Е.А., Гладкова О.В. Экобиогеотехнологические подходы для повышения коэффициента биологического поглощения растений в фиторемедиации. Известия Тульского государственного университета. Науки о земле. 2019; 4 (4): 32–40.

  43. Bhargava A., Carmona F.F., Bhargava M., Srivastava S. Approaches for enhanced phytoextraction of heavy metals. J. Environ. Manag. 2012; 105: 103–120.

  44. Wei S., da Silva J.A.T., Zhou Q. Agroimproving method of phytoextracting heavy metal contaminated soil. J. Hazard. Materials. 2008; 150: 662–668.

  45. Корж О.П., Савченко И.Г., Гура Н.О. Фiтopeмeдiaцiйний cnociб очищения грунтiв вiд важких металiв: патент UA76416.

  46. Постников Д.А. Способ очистки почв от тяжелых металлов: патент RU2365078С1.

  47. Кирейчева Л.В., Ильинский А.В., Яшин В.М. К вопросу фиторемедиации почв, загрязненных комплексом тяжелых металлов. Мелиорация и водное хозяйство. 2016; 4: 8–13.

  48. Волков К.С., Иванова Е.М., Великсар С.Г. Возможности использования растений различных семейств в целях фиторемедиации загрязненных медью территорий. Проблемы региональной экологии. 2013; 1: 97–101.

  49. Алексеева-Попова Н.В., Дроздова И.В., Калимова И.Б. Концентрирование тяжелых металлов видами сем. Cruciferae флоры северного Кавказа в связи с проблемой фиторемедиации. Геохимия. 2015; 5: 466–474.

  50. Ольшанская Л.Н., Тарушкина Ю.А., Стоянов А.В., Русских М.Л. Фиторемедиационные технологии в защите гидросферы: монография. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т.; 2011. 136.

  51. Постников Д.А. Фитомелиорация и фиторемедиация почв сельскохозяйственного назначения с различной степенью окультуренности и экологической нагрузки: автореф. дис. … д-ра с.х. наук. Брянск: Издат. центр ФГОУ ВПО МГАУ; 2009.

  52. Хуснидинов Ш.К., Замащиков Р.В., Дмитриев Н.Н., Бутырин М.В., Сосницкая Т.Н., Дагуров А.В. Способ очистки почв, загрязненных мышьяком, кадмием и свинцом, с использованием свербиги восточной: патент RU2020120991.

  53. Тебиева Д.И., Бекузарова С.А., Бекмурзов А.Д., Кебалова Л.А. Способ фиторемедиации автомобильных дорог: патент RU2020110423.

  54. Смирнов Ю.Д., Кремчеев Э.А., Матвеева В.А., Чукаева М.А., Громыка Д.С. Способ очистки почв от тяжелых металлов: патент RU2019124369.

  55. Озерова Д.В. Изучение процесса фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова; 2015: 499–500.

  56. Salt D.E., Prince R.C., Pickering I. J., Raskin I. Mechanisms of cadmium mobility and accumulation in Indian Mustard. Plant Physiol. 1995; 109: 1427–1433.

  57. Hart J.J., Welch R.M., Norvell W.A., Sullivan L.A., Kochian L.V. Characterization of cadmium binding, uptake and translocation in intact seedlings of bread and durum wheat cultivars. Plant Physiol. 1998; 116: 1413–1420.

  58. Ульрих Д.В., Тимофеева С.С. Фиторемедиация загрязненных почв и техногенных грунтов хвостохранилищ на территории меднорудных предприятий южного Урала. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2016; 3: 341–349.

  59. Zhang Xingli, Zhou Qixing, Shi Honglei, Gao Yuanyuan. Method for restoring Cd-polychlorinated dibenzofurans polluted soil by utilizing French marigold: patent CN103480625.

  60. Lin Maohong, Zhou Qixing, Su Hui, Zhou Ruiren, Gao Yuanyuan. Method for remediating soil polluted with cadmiumpolychlorinated biphenyl compounds: patent CN103191915.

  61. Jing Yande. New application of French marigold, Balsamine and Nephrolepis auriculata on repairing contaminated soil: patent CN102886377.

  62. Гальченко С.В., Чердакова А.С. Фиторемедиация городских почв цинерарией серебристой (Cineraria Silverdust L.). Наука, образование, производство в решении экологических проблем (Экология-2021): материалы XVII Международной научно‐технической конференции: в 2 т. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет; 2021: 49–55.

  63. Высоцкий С.П., Фркнзе О.В. Технология фиторемедиации загрязненных тяжелыми металлами почв с помощью декоративных травянистых растений. Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2019; 5 (139): 105–112.

  64. Довбан К.И. Зеленые удобрения в современном земледелии: вопросы теории и практики. Минск: Белорусская наука; 2009. 404.

  65. Гальченко С.В., Мажайский Ю.А., Гусева Т.М., Чердакова А.С. Фиторемедиация городских почв, загрязненных тяжелыми металлами, декоративными цветочными культурами. Вестник Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. 2015; 4 (49).

  66. Фрунзе О.В. Фиторемедиация загрязненных тяжелыми металлами почв с помощью древесных растений. Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем: материалы ХIX Всероссийской научно-практической конференции c международным участием. Киров: Вятский государственный университет; 2021: 332–334.

  67. Анилова Л.В., Сальникова Е.В., Примак О.В., Шарыгина М.В. Перспективы фиторемедиации почвенного покрова урбанизированных территорий (на примере г. Оренбурга). Вестник Оренбургского государственного университета. 2012; 6 (142): 82–85.

  68. Яшин В.М., Пыленок П.И., Майсснер Р., Рупп Х. Оценка загрязнения и перспективы фиторемедиации аллювиальных почв Окской поймы. Новые методы и результаты исследований ландшафтов в Европе, центральной Азии и Сибири: монография: в 5 т. Москва: Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова; 2018: 212–217.

  69. Лукаткин А.С., Башмаков Д.И. Способ биологической очистки почв: патент RU2231944C2.

  70. Абдуллаев С.Ф., Сафаралиев Н.М., Партоев К. Исследование биологического поглощения тяжелых металлов растением-фиторемедиантом – топинамбуром (Helianthus tuberosus l.). Химическая безопасность. 2019; 3 (1): 110–117.

  71. Roemer W., Kang D., Egle K., Gerke J., Keller H. The acquisition of cadmium by Lupinus albus L., Lupinus angustifolius L., and Lolium multiflorum Lam. J. of Plant Nutr. and Soil Sci. 2000; 163: 623–628.

  72. Trejo N., Matus I., Pozo A., Walter I., Hirzel J. Cadmium phytoextraction capacity of white lupine (Lupinus albus L.) and narrow-leafed lupine (Lupinus angustifolius L.) in three contrasting agroclimatic conditions of Chile. Chilean J. Agric. Res. 2016; 76 (2): 228–235.

  73. Fumagalli P., Comolli R., Ferre Ch., Ghiani A., Gentili R., Citterio S. The rotation of white lupin (Lupinus albus L.) with metal-accumulating plant crops: A strategy to increase the benefits of soil phytoremediation. Journal of Environmental Management. 2014; 145: 35–42.

  74. Болышева Т.Н., Касатиков В.А., Абакар А.У. Использование люпина узколистного (Lupinus Angustifolius L.) для фиторемедиации почв с полиметаллическим загрязнением. Проблемы агрохимии и экологии. 2016; 4: 51–53.

  75. Куриленко В.В., Осмоловская Н.Г. Фиторемедиационный способ очистки почв, загрязненных тяжелыми металлами: патент RU2017137084.

Поступила в редакцию 02.03.2024; принята 19.04.2024.

 

Авторский коллектив

Мещерякова Виктория Юрьевна – ординатор кафедры фармацевтической химии и фармацевтической технологи, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет». 394018, Россия, г. Воронеж, Университетская пл., 1; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-6648-8024

Дьякова Нина Алексеевна – доктор фармацевтических наук, доцент, доцент кафедры фармацевтической химии и фармацевтической технологии, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет». 394018, Россия, г. Воронеж, Университетская пл., 1; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-0766-3881

Павлова Юлия Александровна – ассистент кафедры фармацевтической химии и фармацевтической технологии, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет». 394018, Россия, г. Воронеж, Университетская пл., 1; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: https://orcid.org/0000-0002-1204-927X

 

Образец цитирования

Мещерякова В.Ю., Дьякова Н.А., Павлова Ю.А. Перспективы использования различных растений с целью фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Ульяновский медико-биологический журнал. 2024; 3: 139–154. DOI: 10.34014/2227-1848-2024-3-139-154