A fémgyűjtés bajnokai
Ha a dél-csendes-óceáni
Új-Kaledónia egyik ritka esőerdei fáját, a Pycnandra
acuminata kérgét megsértik, különös kékeszöld tejnedv bukkan elő. A szín
nem optikai csalódás: a nedv szárazanyagának mintegy egynegyede nikkel lehet.
Az első részletes vizsgálat 25,74 tömegszázalékos értéket közölt, amelyet akkor
az élő anyagban mért legnagyobb nikkelkoncentrációnak tekintettek (Jaffré et
al. 1976). Kevés növényi rekord ennyire látványos: a fa szó szerint fémtartalmú
nedvet keringet.
A „fémgyűjtés”
természetesen képes beszéd. A növények a talajoldatban jelen levő ionokat
veszik fel, majd szállítják, kémiai kötésbe fogják és meghatározott sejtekben
vagy sejtrészekben raktározzák őket. A jelenség nem korlátozódik a szigorú
kémiai értelemben vett fémekre: arzén- és szelénfelhalmozó növényeket is
ugyanebben a kutatási körben tárgyalnak, jóllehet az arzén félfém, a szelén
pedig nemfém. A köznyelvi „nehézfém” szó ezért itt pontatlanabb, mint a fém- és
félfém-nyomelemek megnevezés.
Nem minden fémtűrő
növény hiperakkumulátor. Egyes fajok úgy maradnak életben a fémben gazdag
talajon, hogy gyökereiknél visszatartják vagy kizárják a veszélyes ionokat;
hajtásukban alig lesz több belőlük, mint más növényekében. A hiperakkumulátor
ezzel szemben a föld feletti, begyűjthető részeibe szállítja és ott rendkívüli
koncentrációban halmozza fel az adott elemet. A meghatározás tehát egyszerre
szól felvételről, gyökér–hajtás irányú szállításról és belső tűrésről (van der
Ent et al. 2013).
A rekordlista szabályai
elemenként eltérnek, mert a természetes háttérkoncentráció és a növények
tűrőképessége sem azonos. A hajtás szárazanyagára számítva hiperakkumulációnak
tekintik többek között a 100 mikrogramm/gramm feletti kadmium- és
szeléntartalmat, a 300 mikrogramm/gramm feletti kobalt- és réztartalmat, az
1000 mikrogramm/gramm feletti nikkel- és arzéntartalmat, a 3000
mikrogramm/gramm feletti cinktartalmat, valamint a 10 000 mikrogramm/gramm
feletti mangántartalmat. Az 1000 mikrogramm/gramm 0,1 tömegszázaléknak felel
meg (Reeves et al. 2018).
A száraz tömeg
hangsúlyozása nem formaság. A friss levél nagy része víz, ezért ugyanaz a
fémtartalom friss tömegre vetítve jóval kisebb számot ad. Az sem mindegy, hogy
egész levelet, hajtást, kérget vagy egy különleges váladékot vizsgálunk. A Pycnandra tejnedvének 25 százalékos
értéke például nem jelenti azt, hogy a fa törzsének vagy minden levelének
negyede nikkel. A növényi dobogóhoz ezért mindig oda kell írni a versenyszámot:
melyik szervet, milyen állapotban és milyen körülmények között mérték.
A 2017 júliusáig
összegyűjtött világadatbázis 721 hiperakkumulátor fajt tartalmazott 52
családból és mintegy 130 nemzetségből. Közülük 523 faj nikkelt halmozott fel,
tehát a nikkelbajnokok messze többen voltak, mint bármely más elem
hiperakkumulátorai. Ez nem végleges fajszám: új felfedezések növelik, a
tévesnek bizonyuló régi adatok pedig csökkenthetik a listát (Reeves et al.
2018).
A nikkel fölénye részben
a különleges kőzetekhez kötődik. Az ultrabázisos kőzetekből kialakult, gyakran
szerpentinesnek nevezett talajokban sok lehet a nikkel, a kobalt és a króm,
miközben kevés a növények számára nélkülözhetetlen nitrogén, foszfor és kálium.
A kalcium–magnézium arány is kedvezőtlen lehet. Ez egyszerre több szűrőt állít
a növények elé, így az ilyen szigetszerű élőhelyeken sajátos, sokszor csak kis
területen élő flóra alakul ki. A hiperakkumuláció ennek az evolúciós
különlegességnek az egyik lehetséges eredménye (van der Ent et al. 2013).
A Pycnandra acuminata – régebbi nevén Sebertia acuminata – tejnedvében a nikkel vízoldható, kis
molekulatömegű szerves komplex formájában van jelen (Jaffré et al. 1976). A
kékeszöld folyadék tehát nem fémrészecskék szuszpenziója, és nem is valamiféle
természetes nikkelfesték. A növény kémiai partnerekhez kapcsolja az ionokat; ez
segíti szállításukat, egyúttal mérsékli annak veszélyét, hogy szabad formában
enzimekhez és membránokhoz kötődjenek.
Egy új-kaledóniai erdő
0,25 hektáros mintaterületén a kutatók az összes nagyobb fát és a
talajszelvényeket is felmérték. A hektárra átszámított 281 tonnányi
fa-biomassza 257 kilogramm nikkelt, 49,1 kilogramm mangánt, 6,76 kilogramm
cinket és 0,44 kilogramm kobaltot tartalmazott. A stabil nikkelizotópok azt is
jelezték, hogy a felső talajrétegek nikkelének egy része növényi eredetű: a
felvett elem az avarral visszakerül, majd újra belép a biológiai körforgásba
(Paul et al. 2021).
Ez az erdei készlet
másféle rekord, mint a tejnedv koncentrációja. Az előbbi azt mondja meg, mennyi
nikkel jut egy terület élő biomasszájába, az utóbbi pedig azt, mennyire tömény
egy apró, különleges szövettér. A két adat nem helyettesíti egymást. Egy kis
tömegű szerv lehet megdöbbentően tömény, miközben egy kevésbé tömény, de nagy
biomasszájú növény területegységenként több fémet gyűjt be.
A levelek szárazanyagára
vetített nikkelrekordot a nagy adatbázis 7,6 tömegszázalékkal a dél-afrikai Berkheya coddii nevéhez kapcsolta
(Reeves et al. 2018). Ennél is fontosabb, hogy a fészkesvirágzatúakhoz tartozó,
termetes évelő lágyszárú nem csupán tömény, hanem sok begyűjthető hajtást is
nevel. Szabadföldön legfeljebb körülbelül 36 000, tenyészkísérletben 76 000
mikrogramm/gramm nikkelt mértek benne. A 7,6 százalék tehát a kísérleti felső
értékkel egyezik; terepi állományokra nem szabad automatikusan általánosítani
(Rue et al. 2020).
A hiperakkumuláció nem
egyetlen „fémpumpa” műve. Az ionnak előbb a gyökér közelében hozzáférhetővé
kell válnia, át kell jutnia a gyökér sejtjeinek membránjain, be kell kerülnie a
farész szállítóáramába, majd ki kell lépnie a levél szöveteibe. Közben szerves
savakhoz, aminosavakhoz vagy más ligandumokhoz kapcsolódhat. Végül olyan
sejtekben, sejtfalakban vagy vakuólumokban raktározódik, ahol kevésbé zavarja
az anyagcserét. E lépések bármelyike eltérhet a közeli rokon, fémet nem
felhalmozó fajokétól (Assunção et al. 2003).
A vakuólum, vagyis a
növényi sejt nagy belső raktártere különösen fontos. Ha a fémiont a
sejtplazmából ide zárják, az kevésbé találkozik az érzékeny enzimekkel. Más
fajok inkább a bőrszövet sejtjeibe, levélszőrökbe vagy – mint a Pycnandra – tejnedvbe irányítják a
fémet. Az arzénfelhalmozó páfrány példája különösen jól mutatja, hogy egy
levélen belül is létezhet kémiai térkép: nem minden szövet viseli ugyanazt a
terhelést.
De miért alakult ki
olyan tulajdonság, amely első látásra feleslegesen veszélyes anyagot zsúfol a
hajtásba? Az egyik legjobban vizsgált magyarázat az „elemi védelem”: a nagy
fémkoncentráció a növény saját gyártású szerves mérgeihez hasonlóan
elriaszthatja vagy megmérgezheti a fogyasztókat. A nikkelakkumuláló Streptanthus polygaloides nagy
nikkeltartalma csökkentette két levélrágó és egy gyökérfogyasztó rovar
túlélését, valamint egy sejtroncsolva táplálkozó liszteske állománynövekedését.
Az edénynyalábok nedveit szívó rovarokra viszont nem hatott számottevően (Jhee
et al. 2005).
A védelem tehát nem
általános pajzs: függ attól, hol van a fém, és az állat melyik szövetből
táplálkozik. Hasonló eredményt adott a szelénakkumuláló Stanleya pinnata. A tücskök és sáskák választási helyzetben
kerülték a szelénnel kezelt leveleket, kényszeretetéskor pedig a nagy
szeléntartalmú táplálék pusztította őket. A terepi kísérletben a felhalmozott
metil-szelenocisztein mérsékelte a gerinctelenek rágását és javította a növény
túlélését (Freeman et al. 2007).
Az elemi védelem mellett
felvetették a kórokozók elleni hatást, a versenytársak környezetének avarral
történő megváltoztatását, sőt a szárazságtűrésben játszott szerepet is. Az is
lehetséges, hogy bizonyos fajoknál a nagy felhalmozás részben más
iontranszport-rendszerek mellékhatásaként indult, és csak később vált
előnyössé. Egyetlen magyarázatot nem lehet minden elemre, fajra és élőhelyre
ráhúzni; a hiperakkumuláció több alkalommal, eltérő fejlődési vonalakon alakult
ki (van der Ent et al. 2013).
A nikkel után az egyik
leglátványosabb versenyszám az arzéné. A saspáfrányfélékhez tartozó Pteris vittata hajtásaiban akár 22 630
milligramm/kilogramm, vagyis mintegy 2,3 tömegszázalék arzént mértek. A páfrány
föld feletti része nemcsak sok arzént tartalmazott, hanem koncentrációja a
gyökérét és a talajét is meghaladta; ez tette az első egyértelműen azonosított
arzén-hiperakkumulátorrá (Ma et al. 2001).
A páfránylevélben az
arzén 96 százaléka a levélkékbe került, míg a főérben és a spórákban jóval
kevesebb maradt. A mikroröntgenes vizsgálat főként a felső és alsó bőrszövet
sejtjeiben mutatta ki, valószínűleg a vakuólumokban. A frondok arzénjének
körülbelül háromnegyede háromértékű, egynegyede ötértékű formában volt jelen. A
növény tehát nem pusztán felszívja az arzént: kémiailag átalakítja és térben
elkülöníti (Lombi et al. 2002).
A cink- és
kadmiumfelhalmozás egyik klasszikus modellnövénye az apró keresztesvirágú Noccaea caerulescens (Thlaspi caerulescens). Egyes állományai
cinkben, mások kadmiumban vagy nikkelben kiemelkedők, vagyis még egyetlen fajon
belül sincs egységes teljesítmény. Egészséges kísérleti növényekben 30 000
mikrogramm/gramm cinket, 14 000 mikrogramm/gramm kadmiumot és 4700 mikrogramm/gramm
nikkelt is közöltek (Assunção et al. 2003). Az ilyen adatoknál a származási
hely és a nevelési körülmény a fajjal csaknem azonos jelentőségű.
A cink ráadásul
nélkülözhetetlen mikroelem, a kadmiumnak viszont nincs ismert alapvető növényi
szerepe. Ugyanaz a transzporter olykor többféle, hasonló iont is átenged, ezért
a tápanyagfelvétel és a mérgező elem felhalmozása összekapcsolódhat. A
hiperakkumulátorok vizsgálata így nem csupán különlegességek gyűjtése: segít
megérteni, miként választják szét a növények a szükséges és veszélyes elemeket,
és hogyan tartják fenn a fémháztartásukat szélsőséges belső koncentráció
mellett.
A rekordok
hitelesítésének egyik legnagyobb ellensége a por. A levélre tapadt
talajszemcsék különösen réz-, kobalt-, ólom- és krómdús termőhelyeken
utánozhatják a valódi felhalmozást. Ugyancsak félrevezető lehet, ha egy növényt
laboratóriumban mesterségesen nagy dózissal vagy a fém oldhatóságát növelő
vegyszerrel kezelnek, majd az így kapott értéket természetes képességként
közlik. A szigorú meghatározás ezért természetes élőhelyen gyűjtött, tisztított
mintát és életképes, egészséges növényt követel (van der Ent et al. 2013;
Reeves et al. 2018).
Az új bajnokok keresését
a röntgenfluoreszcens műszerek gyorsították fel. Egy hordozható készülék a
préselt herbáriumi levél roncsolása nélkül, néhány másodperc alatt jelezheti a
szokatlan elemtartalmat; jól szervezett szűrésben naponta akár 300 példány is
megvizsgálható. A pozitív találat még nem végleges rekord, de kijelöli azokat a
mintákat, amelyeken pontos laboratóriumi elemzést, taxonómiai ellenőrzést és
lehetőség szerint terepi visszakeresést érdemes végezni (Reeves et al. 2018).
A fémgyűjtő növények
környezetvédelmi felhasználását fitoextrakciónak nevezik. A növény a sekély
gyökérzónából felveszi a hozzáférhető fémet, a hajtást betakarítják, majd
szabályozottan kezelik. Ez kíméletesebb lehet a teljes talajcserénél, de
általában lassú, többszöri termesztést igényel, és csak a biológiailag
hozzáférhető készletet éri el. A szennyezett biomassza nem válik ártalmatlan
növényi hulladékká: a benne összegyűlt elemek miatt ellenőrzött feldolgozásra
szorul.
Ha a cél nem a
szennyezés eltávolítása, hanem egy értékes fém kinyerése, fitobányászatról,
újabban agrobányászatról beszélünk. A „fémnövényt” nikkelben gazdag, de
hagyományos bányászatra kevéssé alkalmas talajon termesztik, betakarítják, majd
a biomasszából hamut vagy más tömény bioércet készítenek. A hozam két tényező
szorzata: nem elég a nagy szöveti koncentráció, sok növényi szárazanyagot is
elő kell állítani (Nkrumah et al. 2016).
Ebben válik érdekessé a Berkheya coddii. Optimálisnak tekintett
feltételek mellett hektáronként 77 kilogramm nikkel- és 16,5 kilogramm
kobalthozamot becsültek számára. A kobalt ugyanakkor csökkentette a nikkel
felvételét, a két elem pedig nem azonos módon oszlott el: a nikkel gyorsan a
felső levelekbe került, a kobalt inkább az alsókban maradt. Még a jó fémnövény
sem egyszerű porszívó; teljesítményét a talaj kémiája, az elemek kölcsönhatása,
a biomasszahozam és a betakarítás időzítése együtt szabja meg (Rue et al.
2020).
Az agrobányászat nem ad
felhatalmazást a hiperakkumulátorok élőhelyeinek felszámolására. Sok faj ritka,
kis elterjedésű és éppen olyan fémgazdag területen él, amelyet a bányászat
veszélyeztet. A termesztési programhoz magfogás, szaporítás, agronómiai
nemesítés és környezeti kockázatértékelés szükséges; vad állományok tömeges
begyűjtése sem természetvédelmi, sem gazdasági szempontból nem fenntartható. A
rekord értéke részben abban áll, hogy felhívja a figyelmet e különleges
élőhelyek biológiai értékére (Nkrumah et al. 2016).
A fémgyűjtés “sportága”
tehát több számból áll. A Pycnandra
acuminata kékeszöld tejnedvének közel 26 százalékos nikkeltartalma a
legnagyobb helyi koncentrációk egyike; a Berkheya
coddii levélszárazanyagának 7,6 százalékos kísérleti nikkelértéke a
lombrekordok között kiemelkedő; a Pteris
vittata pedig mintegy 2,3 százalék arzént gyűjthet a frondjaiba. Mellettük
cink-, kadmium-, mangán-, kobalt- és szelénbajnokok sora mutatja, hogy a növény
és az ásványvilág határa korántsem olyan éles, mint elsőre gondolnánk.
E növények nem
sérthetetlenek, és nem tesznek minden fémes talajt termőfölddé. Teljesítményük
lényege a szabályozás: az iont fel kell ismerni, felvenni, biztonságos kémiai
formába kötni, a hajtásba szállítani és pontosan elhelyezni. A rekordok mögött
ezért nem egyetlen látványos szám, hanem összehangolt élettani rendszer áll.
Ennek megértése egyszerre gazdagítja az evolúcióról alkotott képünket, segíti a
szennyezett területek kezelését, és megmutatja, hogy egy növény bizonyos
körülmények között nemcsak termést, hanem érctartalmú biomasszát is képes
előállítani.
Irodalom
Assunção A. G. L., Schat H. & Aarts M. G. M.
(2003): Thlaspi caerulescens, an
attractive model species to study heavy metal hyperaccumulation in plants. New
Phytologist 159: 351–360. https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.2003.00820.x
Freeman J. L., Lindblom S. D., Quinn C. F.,
Fakra S., Marcus M. A. & Pilon-Smits E. A. H. (2007): Selenium accumulation
protects plants from herbivory by Orthoptera via toxicity and deterrence. New
Phytologist 175: 490–500. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2007.02119.x
Jaffré T., Brooks R. R., Lee J. & Reeves R.
D. (1976): Sebertia acuminata: A
hyperaccumulator of nickel from New Caledonia. Science 193: 579–580.
https://doi.org/10.1126/science.193.4253.579
Jhee E. M., Boyd R. S. & Eubanks M. D.
(2005): Nickel hyperaccumulation as an elemental defense of Streptanthus polygaloides
(Brassicaceae): Influence of herbivore feeding mode. New Phytologist 168:
331–344. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2005.01504.x
Lombi E., Zhao F.-J., Fuhrmann M., Ma L. Q.
& McGrath S. P. (2002): Arsenic distribution and speciation in the fronds
of the hyperaccumulator Pteris vittata.
New Phytologist 156: 195–203. https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.2002.00512.x
Ma L. Q., Komar K. M., Tu C., Zhang W., Cai Y.
& Kennelley E. D. (2001): A fern that hyperaccumulates arsenic. Nature 409:
579. https://doi.org/10.1038/35054664
Nkrumah P. N., Baker A. J. M., Chaney R. L.,
Erskine P. D., Echevarria G., Morel J. L. & van der Ent A. (2016): Current
status and challenges in developing nickel phytomining: An agronomic
perspective. Plant and Soil 406: 55–69.
https://doi.org/10.1007/s11104-016-2859-4
Paul A. L. D., Isnard S., Wawryk C. M., Erskine
P. D., Echevarria G., Baker A. J. M., Kirby J. K. & van der Ent A. (2021):
Intensive cycling of nickel in a New Caledonian forest dominated by
hyperaccumulator trees. The Plant Journal 107: 1040–1055.
https://doi.org/10.1111/tpj.15362
Reeves R. D., Baker A. J. M., Jaffré T., Erskine
P. D., Echevarria G. & van der Ent A. (2018): A global database for plants
that hyperaccumulate metal and metalloid trace elements. New Phytologist 218:
407–411. https://doi.org/10.1111/nph.14907
Rue M., Paul A. L. D., Echevarria G., van der
Ent A., Simonnot M.-O. & Morel J.-L. (2020): Uptake, translocation and
accumulation of nickel and cobalt in Berkheya
coddii, a ‘metal crop’ from South Africa. Metallomics 12: 1278–1289.
https://doi.org/10.1039/D0MT00099J
van der Ent A., Baker A. J. M., Reeves R. D.,
Pollard A. J. & Schat H. (2013): Hyperaccumulators of metal and metalloid
trace elements: Facts and fiction. Plant and Soil 362: 319–334.
https://doi.org/10.1007/s11104-012-1287-3
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése