Η Χρήση Μικροοργανισμών για την Απομάκρυνση Βαρέων Μετάλλων: Μία βιώσιμη λύση για την Προστασία του Περιβάλλοντος

Ερευνητική ομάδα: HeTa Food Research Centre for Excellence

Η δυνατότητα των μικροοργανισμών να είναι ανεκτικοί, να βιοσυσσωρεύουν και να απομακρύνουν τα βαρέα μέταλλα αναδεικνύεται ως φάρος ελπίδας για τον Στόχο Βιώσιμης Ανάπτυξης (ΣΒΑ) 2 (Μηδενική Πείνα) και 15 (Ζωή στη Στεριά). Αυτή η πρωτοποριακή έρευνα επιδιώκει να μειώσει τις δυσμενείς επιπτώσεις της μόλυνσης από βαρέα μέταλλα στις καλλιέργειες και τα εδάφη. 

• Ο ΣΒΑ 2 επιδιώκει να εξασφαλίσει την καθολική πρόσβαση σε ασφαλή και θρεπτικά τρόφιμα μέσω της βιώσιμης γεωργίας. 
• Ο ΣΒΑ 15 επικεντρώνεται στην προστασία και αποκατάσταση των χερσαίων οικοσυστημάτων, τη βιώσιμη διαχείριση των δασών και την ανάσχεση της απώλειας της βιοποικιλότητας για την περιβαλλοντική βιωσιμότητα. 

Μαζί, οι στόχοι αυτοί είναι το σημείο καμπής μεταξύ της επισιτιστικής ασφάλειας, της βιώσιμης γεωργίας και της υγείας των οικοσυστημάτων.

Η περιβαλλοντική ρύπανση στο πλαίσιο της γεωργίας αναφέρεται στην είσοδο επιβλαβών ουσιών στο έδαφος, το νερό ή τον αέρα, που επηρεάζουν αρνητικά την ανάπτυξη των καλλιεργειών, τη γονιμότητα του εδάφους και τη συνολική υγεία του οικοσυστήματος1,2. Τα φυτοφάρμακα, τα λιπάσματα και η μη συνετή διαχείριση των αποβλήτων είναι συνήθεις παράγοντες, που θέτουν σε κίνδυνο τόσο την ανθρώπινη υγεία όσο και το περιβάλλον3. Η εφαρμογή αποτελεσματικών στρατηγικών διαχείρισης είναι απαραίτητη για την αντιμετώπιση των δυσμενών επιπτώσεων της περιβαλλοντικής ρύπανσης στα γεωργικά οικοσυστήματα, προωθώντας την πορεία προς τη βιώσιμη γεωργία.

Η βιώσιμη γεωργία αναφέρεται σε γεωργικά συστήματα που μπορούν να διατηρήσουν την παραγωγικότητα και τη χρηστικότητά τους επ’ αόριστον, υιοθετώντας μια προσέγγιση που συνδυάζει την οικονομική βιωσιμότητα, τη διατήρηση του περιβάλλοντος και την κοινωνική ισότητα στο πλαίσιο των γεωργικών πρακτικών4. Η αξιοποίηση του μικροβιακού δυναμικού για την απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων αποτελεί μια βιώσιμη λύση. Αυτό γίνεται αξιοποιώντας τις φυσικές ικανότητες/λειτουργίες των μικροοργανισμών για την καταπολέμηση των επιπτώσεων της μόλυνσης από τα βαρέα μέταλλα στα γεωργικά οικοσυστήματα. Η προσέγγιση αυτή ευθυγραμμίζεται άψογα με τους στόχους των βιώσιμων γεωργικών πρακτικών που προωθούν την προστασία του περιβάλλοντος. Προωθεί επίσης εναλλακτικές λύσεις φιλικές προς το περιβάλλον σε σχέση με τις παραδοσιακές μεθόδους αποκατάστασης που μπορεί να περιλαμβάνουν τη χρήση επιβλαβών χημικών ουσιών5. Αυτή η βιώσιμη λύση ενισχύει την ανθεκτικότητα των γεωργικών οικοσυστημάτων, συμβάλλοντας στη υγεία του εδάφους, στη προστασία της βιοποικιλότητας και στη συνολική ευημερία του περιβάλλοντος6. Η υιοθέτηση τέτοιων στρατηγικών με βάση τους μικροοργανισμούς δεν αντιμετωπίζει μόνο το άμεσο ζήτημα της περιβαλλοντικής ρύπανσης, αλλά προωθεί επίσης μια ολιστική και βιώσιμη προσέγγιση για τη γεωργία, εξασφαλίζοντας τη μακροζωία των επισιτιστικών μας συστημάτων7.

Σε αυτή την πρωτοποριακή έρευνα, εμβαθύνουμε στη δυνατότητα των μικροοργανισμών να μετασχηματίζουν βαρέα μέταλλα με στόχο την καταπολέμηση της ρύπανσης με βιώσιμο τρόπο. Πρωταρχικός μας στόχος είναι να κατανοήσουμε τον κρίσιμο ρόλο των μικροοργανισμών στον περιορισµό των δυσμενών επιπτώσεων της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα στις καλλιέργειες και τα εδάφη, προσφέροντας έναν φάρο ελπίδας για το μέλλον της γεωργίας.

Κατανοώντας τη ρύπανση από βαρέα μέταλλα

Η ρύπανση από βαρέα μέταλλα στη γεωργία αναφέρεται στην είσοδο επιβλαβών ουσιών στο έδαφος, το νερό ή τον αέρα, που επηρεάζουν αρνητικά την ανάπτυξη των καλλιεργειών, τη γονιμότητα του εδάφους και τη συνολική υγεία του οικοσυστήματος8. Οι συνέπειες της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα είναι εκτεταμένες. Σύμφωνα με περιβαλλοντικές μελέτες, τα βαρέα μέταλλα μπορούν να παραμείνουν στο περιβάλλον για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε βιοσυσσώρευση στους οργανισμούς και πιθανές απειλές για την ανθρώπινη υγεία όταν οι οργανισμοί αυτοί εισέρχονται στην τροφική αλυσίδα9. Η έκθεση του ανθρώπου σε βαρέα μέταλλα, ιδίως μέσω της κατανάλωσης γεωργικών προϊόντων, μπορεί να οδηγήσει σε μια σειρά από προβλήματα υγείας, συμπεριλαμβανομένων νευρολογικών διαταραχών, αναπτυξιακών προβλημάτων και διαφόρων μορφών καρκίνου10. Επιπλέον, η ρύπανση από βαρέα μέταλλα προκαλεί οικολογικές ανισορροπίες, επηρεάζοντας τη βιοποικιλότητα και διαταράσσοντας τη φυσική λειτουργία των οικοσυστημάτων. Έτσι, απαιτούνται αποτελεσματικές στρατηγικές διαχείρισης που προωθούν τη βιώσιμη γεωργία8.

Οι διεθνείς οργανισμοί και οι περιβαλλοντικές υπηρεσίες υπογραμμίζουν τον επείγοντα χαρακτήρα της αντιμετώπισης της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα μέσω ολοκληρωμένων στρατηγικών. Η παρακολούθηση και η ρύθμιση των βιομηχανικών αποβλήτων, η εφαρμογή φιλικών προς το περιβάλλον πρακτικών στην εξορυκτική βιομηχανία και τη γεωργία και η ανάπτυξη τεχνολογιών για την αποκατάσταση των μολυσμένων χώρων είναι ζωτικής σημασίας βήματα11,12. Επιπλέον, οι εκστρατείες ευαισθητοποίησης και εκπαίδευσης του κοινού παίζουν καθοριστικό ρόλο στην προώθηση κατάλληλων πρακτικών διαχείρισης αποβλήτων και στη μείωση της χρήσης βαρέων μετάλλων σε καθημερινά προϊόντα13. Η αντιμετώπιση της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα απαιτεί επίσης μια πολύπλευρη προσέγγιση που περιλαμβάνει τη συνεργασία μεταξύ κυβερνήσεων, βιομηχανιών και ιδιωτών14. Με την καλύτερη κατανόηση των πηγών μόλυνσης, των συνεπειών και των πιθανών λύσεων για τη ρύπανση από βαρέα μέταλλα, η κοινωνία μπορεί να συνεργαστεί για τη διαφύλαξη του περιβάλλοντος, την προστασία της ανθρώπινης υγείας και τη διασφάλιση της βιωσιμότητας των οικοσυστημάτων για τις μελλοντικές γενιές. 

Οι Μικροοργανισμοί ως Σύμμαχοι στην Υγεία του Εδάφους

Τι είναι βιοεξυγίανση;

Η χρήση μικροοργανισμών για τη μετατροπή μολυσματικών παραγόντων σε πηγές ενέργειας ή σε λιγότερο τοξικές ουσίες είναι γνωστή ως βιοεξυγίανση15. 

Τι είναι η βιοδιέγερση και η βιοενίσχυση;

Οι δύο κύριες στρατηγικές βιοεξυγίανσης, είναι η βιοδιέγερση και η βιοενίσχυση, που χρησιμοποιούνται ανάλογα με τους παράγοντες που επηρεάζουν τη διαδικασία βιοαποικοδόμησης στο εκάστοτε περιβαλλοντικό σύστημα. Η βιοδιέγερση ενισχύει τους εγγενείς μικροβιακούς πληθυσμούς, και μπορεί να λειτουργήσει όταν οι κατάλληλοι μικροοργανισμοί είναι φυσικά παρόντες στο περιβάλλον16. 

Η βιοενίσχυση εισάγει ειδικά διαμορφωμένους μικροβιακούς πληθυσμούς για την ενίσχυση των υφιστάμενων πληθυσμών, οι οποίοι είναι ζωτικής σημασίας όταν οι η εγγενής μικροβιακή χλωρίδα δεν επαρκεί17. Οι μικροοργανισμοί αντιμετωπίζουν την πρόκληση των βαρέων μετάλλων, προωθώντας παράλληλα τη βιώσιμη γεωργίας. Η κατανόηση των περίπλοκων σχέσεων μεταξύ μικροοργανισμών και βαρέων μετάλλων στο έδαφος είναι ζωτικής σημασίας για την ενίσχυση της υγείας του εδάφους και της παραγωγικότητας των καλλιεργειών. 

Οι μικροοργανισμοί, όπως τα βακτήρια και οι μύκητες, διαθέτουν μοναδικά βιοχημικά μονοπάτια που τους επιτρέπουν να απορροφούν και να δεσμεύουν αποτελεσματικά τα βαρέα μέταλλα από το έδαφος. Μέσω διαδικασιών όπως η βιοαπορρόφηση, όπου τα βαρέα μέταλλα δεσμεύονται στις επιφάνειες των κυττάρων, και η βιοσυσσώρευση, όπου οι μικροοργανισμοί συσσωρεύουν μέταλλα στις κυτταρικές τους δομές, οι μικροοργανισμοί αυτοί διευκολύνουν τη μείωση των συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων στο έδαφος18. Η αποτελεσματικότητα της βιοεξυγίανσης είναι καθοριστική για την πρόληψη της συσσώρευσης τοξικών μετάλλων στις καλλιέργειες, διασφαλίζοντας τελικά την ασφάλεια των τροφίμων και το περιβάλλον.

Ορισμένοι μικροοργανισμοί παίζουν καθοριστικό ρόλο στην ανακύκλωση των θρεπτικών συστατικών στο εδαφικό οικοσύστημα. Για παράδειγμα, οι μυκόρριζες δημιουργούν συμβιωτικές σχέσεις με τις ρίζες των φυτών, επεκτείνοντας την πρόσβασή τους σε θρεπτικά συστατικά, συμπεριλαμβανομένων των βασικών μετάλλων19. Αυτές οι συμβιώσεις ενισχύουν την ανάπτυξη των φυτών βελτιώνοντας την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών και αυξάνοντας την αντοχή σε στρεσογόνους παράγοντες όπως η τοξικότητα των βαρέων μετάλλων. 

Τι είναι η φυτοεξυγίανση;

Πέρα από τον απλό μετριασμό των δυσμενών επιπτώσεων των βαρέων μετάλλων, οι μικροοργανισμοί αυτοί συμβάλλουν στη βελτίωση της υγείας και της γονιμότητας του εδάφους. Για παράδειγμα, ορισμένα βακτήρια μπορούν να δεσμεύουν το άζωτο, καθιστώντας το πιο προσιτό στα φυτά και μειώνοντας την ανάγκη για συνθετικά λιπάσματα20. Αυτή η αλληλεπίδραση, γνωστή ως φυτοεξυγίανση, περιλαμβάνει τις κοινές προσπάθειες τόσο των φυτών όσο και των μικροοργανισμών για την απορρύπανση του εδάφους. Ενισχύοντας τη διαθεσιμότητα και την πρόσληψη θρεπτικών στοιχείων, οι μικροοργανισμοί συμβάλλουν στη βελτίωση της γονιμότητας του εδάφους. Αυτό, με τη σειρά του, διασφαλίζει ότι οι καλλιέργειες έχουν πρόσβαση στα απαραίτητα θρεπτικά συστατικά για υγιή ανάπτυξη, καθιστώντας τα γεωργικά συστήματα πιο ανθεκτικά και βιώσιμα, ελαχιστοποιώντας την εξάρτηση από χημικές εισροές.

Τι είναι ο βιομετασχηματισμός;

Οι μικροοργανισμοί συμβάλλουν στην ελαχιστοποίηση της μόλυνσης του περιβάλλοντος μετατρέποντας τα βαρέα μέταλλα σε λιγότερο τοξικές μορφές. Η διαδικασία αυτή, γνωστή ως βιομετασχηματισμός, μειώνει την κινητικότητα των μετάλλων στο έδαφος, αποτρέποντας την έκπλυσή τους στα υπόγεια ύδατα21. Ακινητοποιώντας τα βαρέα μέταλλα, οι μικροοργανισμοί περιορίζουν τον κίνδυνο μόλυνσης των γύρω οικοσυστημάτων, προστατεύοντας την ποιότητα των υδάτων και τη βιοποικιλότητα.

Ποια είναι η συνεσφορά των μικροοργανισμών στην αποκατάσταση των εδαφών;

Οι μικροβιακές μέθοδοι αποκατάστασης είναι συχνά πιο αποδοτικές και βιώσιμες από τις παραδοσιακές προσεγγίσεις. Οι διαδικασίες βιολογικής αποκατάστασης απαιτούν λιγότερους πόρους και είναι λιγότερο ενεργοβόρες σε σύγκριση με τις χημικές ή φυσικές μεθόδους αποκατάστασης22. Οι μικροοργανισμοί μειώνουν την ανάγκη για δαπανηρές υποδομές και ελαχιστοποιούν το περιβαλλοντικό αποτύπωμα των προσπαθειών αποκατάστασης, καθιστώντας την προσέγγιση οικονομικά βιώσιμη και φιλική προς το περιβάλλον23.

Διαφορετικοί μικροοργανισμοί παρουσιάζουν εξειδίκευση ως προς την ικανότητά τους να αποκαθιστούν ορισμένους τύπους βαρέων μετάλλων. Για παράδειγμα, ορισμένα βακτήρια είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά στην απομάκρυνση του μολύβδου24, ενώ ορισμένοι μύκητες υπερέχουν στη δέσμευση του καδμίου25. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει τη στοχευμένη και αποτελεσματική απομάκρυνση συγκεκριμένων ρυπαντών με βάση τις μοναδικές ικανότητες των διαφόρων μικροοργανισμών, παρέχοντας μια προσαρμοσμένη και αποτελεσματική προσέγγιση για την αντιμετώπιση της ρύπανσης από μέταλλα στα αγροτικά εδάφη.

Η μικροβιακή δραστηριότητα συμβάλλει στη βελτίωση της συνολικής υγείας του εδάφους μακροπρόθεσμα. Καθώς οι συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων μειώνονται μέσω της βιοεξυγίανσης, αποκαθίσταται η δομή και η γονιμότητα του εδάφους. Συγκεκριμένοι μικροβιακοί πληθυσμοί παίζουν ρόλο στην αποσύνθεση της οργανικής ύλης, στον κύκλο των θρεπτικών στοιχείων και στη συσσωμάτωση του εδάφους, προωθώντας ένα υγιέστερο και πιο ανθεκτικό εδαφικό περιβάλλον. Αυτή η μακροπρόθεσμη βελτίωση της υγείας του εδάφους δημιουργεί συνθήκες που ευνοούν τη βιώσιμη γεωργία.

Συμπέρασμα

Στο πλαίσιο της επιδίωξης του ΣΒΑ 2 (Μηδενική πείνα) και του ΣΒΑ 15 (Ζωή στη γη), η πρωτοποριακή έρευνα για την αξιοποίηση της ικανότητας των μικροοργανισμών για την καταπολέμηση της ρύπανσης από βαρέα μέταλλα αποτελεί φάρο ελπίδας για τη βιώσιμη γεωργία. Η έρευνα εμβαθύνει στα περίπλοκα μεταβολικά μονοπάτια των μικροοργανισμών για την δέσμευση των βαρέων μετάλλων, προσφέροντας μια βιώσιμη λύση για τον περιορισμό των αρνητικών συνεπειών της μόλυνσης στις καλλιέργειες και τα εδάφη. Η προσέγγιση της μικροβιακής αποκατάστασης, βασίζεται στις αρχές της βιώσιμης γεωργίας, ανταποκρίνεται στην επείγουσα ανάγκη για εύρεση νέων διατροφικών πηγών και συμβάλλει στην προστασία του περιβάλλοντος μειώνοντας την εξάρτηση από επιβλαβείς χημικές ουσίες. Πέρα από την άμεση αποκατάσταση, οι μικροοργανισμοί έχουν καθοριστικό ρόλο και στην ενίσχυση της υγείας του εδάφους, του κύκλου των θρεπτικών στοιχείων και της συνολικής ανθεκτικότητας του οικοσυστήματος. Αυτή η ολιστική και βιώσιμη προσέγγιση διασφαλίζει τη μακροζωία και τη ζωτικότητα των γεωργικών συστημάτων, βοηθώντας να υλοποιηθούν οι στόχοι της μηδενικής πείνας και των υγιών χερσαίων οικοσυστημάτων.

Βιβλιογραφία

1. Cachada, A., Rocha-Santos, T., & Duarte, A. C. (2018). Soil and pollution: an introduction to the main issues. In Soil pollution(pp. 1-28). Academic Press.
2. Tudi, M., Daniel Ruan, H., Wang, L., Lyu, J., Sadler, R., Connell, D., … & Phung, D. T. (2021). Agriculture development, pesticide application and its impact on the environment. International journal of environmental research and public health, 18(3), 1112.
3. Srivastav, A. L. (2020). Chemical fertilizers and pesticides: role in groundwater contamination. In Agrochemicals detection, treatment and remediation(pp. 143-159). Butterworth-Heinemann.
4. Gold, M. V. (2016). Sustainable agriculture: the basics. Sustainable agriculture and food supply: scientific, economic, and policy enhancements, 1.
5. Nnaji, N. D., Onyeaka, H., Miri, T., & Ugwa, C. (2023). Bioaccumulation for heavy metal removal: a review. SN Applied Sciences, 5(5), 125.
6. Kumar, A., Das, A., Singh, D., Das, M. K., Srivastava, G. P., Singh, J. P., … & Chakdar, H. (2023). Soil health restoration in degraded lands: A microbiological perspective. Land Degradation & Development, 34(17), 5155-5170.
7. Singh, H. B., & Vaishnav, A. (Eds.). (2021). New and Future Developments in Microbial Biotechnology and Bioengineering: Sustainable Agriculture: Microorganisms as Biostimulants. Elsevier.
8. Alengebawy, A., Abdelkhalek, S. T., Qureshi, S. R., & Wang, M. Q. (2021). Heavy metals and pesticides toxicity in agricultural soil and plants: Ecological risks and human health implications. Toxics, 9(3), 42.
9. Ali, H., Khan, E., & Ilahi, I. (2019). Environmental chemistry and ecotoxicology of hazardous heavy metals: environmental persistence, toxicity, and bioaccumulation. Journal of chemistry, 2019.
10. Munir, N., Jahangeer, M., Bouyahya, A., El Omari, N., Ghchime, R., Balahbib, A., … & Shariati, M. A. (2021). Heavy metal contamination of natural foods is a serious health issue: a review. Sustainability, 14(1), 161.
11. Saxena, G., Purchase, D., Mulla, S. I., Saratale, G. D., & Bharagava, R. N. (2020). Phytoremediation of heavy metal-contaminated sites: eco-environmental concerns, field studies, sustainability issues, and future prospects. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology Volume 249, 71-131.
12. Lata, S. (2021). Sustainable and eco-friendly approach for controlling industrial wastewater quality imparting succour in water-energy nexus system. Energy Nexus, 3, 100020.
13. Vallée, A., Ceccaldi, P. F., Carbonnel, M., Feki, A., & Ayoubi, J. M. (2023). Pollution and endometriosis: a deep dive into the environmental impacts on women’s health. BJOG: An International Journal of Obstetrics & Gynaecology.
14. Chen, S., & Ding, Y. (2023). Tackling Heavy Metal Pollution: Evaluating Governance Models and Frameworks. Sustainability, 15(22), 15863.
15. Sharma, J., Goutam, J., Dhuriya, Y. K., & Sharma, D. (2021). Bioremediation of Industrial pollutants. Microbial Rejuvenation of Polluted Environment: Volume 2, 1-31.
16. Aliko, V., Multisanti, C. R., Turani, B., & Faggio, C. (2022). Get rid of marine pollution: bioremediation an innovative, attractive, and successful cleaning strategy. Sustainability, 14(18), 11784.
17. Muter, O. (2023). Current trends in bioaugmentation tools for bioremediation: A critical review of advances and knowledge gaps. Microorganisms, 11(3), 710.
18. Priya, A. K., Gnanasekaran, L., Dutta, K., Rajendran, S., Balakrishnan, D., & Soto-Moscoso, M. (2022). Biosorption of heavy metals by microorganisms: Evaluation of different underlying mechanisms. Chemosphere, 307, 135957.
19. Wahab, A., Muhammad, M., Munir, A., Abdi, G., Zaman, W., Ayaz, A., … & Reddy, S. P. P. (2023). Role of arbuscular mycorrhizal fungi in regulating growth, enhancing productivity, and potentially influencing ecosystems under abiotic and biotic stresses. Plants, 12(17), 3102.
20. Ma, Y., Oliveira, R. S., Freitas, H., & Zhang, C. (2016). Biochemical and molecular mechanisms of plant-microbe-metal interactions: relevance for phytoremediation. Frontiers in plant science, 7, 918.
21. Emenike, C. U., Jayanthi, B., Agamuthu, P., & Fauziah, S. H. (2018). Biotransformation and removal of heavy metals: a review of phytoremediation and microbial remediation assessment on contaminated soil. Environmental Reviews, 26(2), 156-168.
22. Nnaji, N. D., Ughamba, K. T., Onyeaka, H., Anyanwu, C. U., Al-Sharify, Z., & Miri, T. (2023, July). Biostimulatory potentials of plantain skin on soils polluted with used motor oil. In AIP Conference Proceedings(Vol. 2787, No. 1). AIP Publishing.
23. Mishra, B., Varjani, S., Kumar, G., Awasthi, M. K., Awasthi, S. K., Sindhu, R., … & Zhang, Z. (2021). Microbial approaches for remediation of pollutants: Innovations, future outlook, and challenges. Energy & Environment, 32(6), 1029-1058.
24. Sharma, R., Jasrotia, T., Umar, A., Sharma, M., Sharma, S., Kumar, R., … & Singh, J. (2022). Effective removal of Pb (II) and Ni (II) ions by Bacillus cereus and Bacillus pumilus: An experimental and mechanistic approach. Environmental Research, 212, 113337.
25. Cacciola, S. O., Puglisi, I., Faedda, R., Sanzaro, V., Pane, A., Lo Piero, A. R., … & Petrone, G. (2015). Cadmium induces cadmium-tolerant gene expression in the filamentous fungus Trichoderma harzianum. Molecular biology reports, 42, 1559-1570.

Μπορεί να βρείτε επίσης ενδιαφέρον:

Αζωτοδέσμευση: ορισμός, περιγραφή της διαδικασίας και η σημασία για τη γεωργία

Τι είναι οι βιοδιεγέρτες;

Νανολιπάσματα (nanofertilizers): προωθούν την αειφορία στην αγροτική παραγωγή;