Fitopemulihan

Fitopemulihan atau fitoremediasi (menggabungkan akar-akar bahasa Yunani φυτο phyto "tumbuh-tumbuhan" dan bahasa Latin remedium "memulihkan") memerihalkan pengolahan masalah persekitaran (biopemulihan) menerusi penggunaan tumbuh-tumbuhan untuk mengurangkan masalah tersebut tanpa menggali bahan kontaminasi dan melupuskannya di tempat yang lain.

Ia bertujuan untuk mengurangkan kepekatan bahan pencemar di dalam tanah, air, atau udara yang dicemari dengan menggunakan tumbuh-tumbuhan yang berupaya mengawal, mendegradasikan, atau menghapuskan logam, pestisida, pelarut, bahan letupan, minyak mentah dan terbitan-terbitannya, serta pelbagai bahan kontaminasi yang lain, daripada bahantara yang mengandunginya.

Kegunaan

Fitopemulihan boleh digunakan apabila tanah dan persekitaran air statik dicemari atau mengalami pencemaran kronik yang berterusan. Contoh fitopemulihan digunakan dengan berjaya termasuk pemulihan lombong logam yang terbiar, pengurangan kesan buruk tapak-tapak yang PCB dibuang semasa pengilangan, dan pengurangan kesan buruk luahan dari lombong batu arang yang masih aktif.

Fitopemulihan merupakan kaedah yang bersih, cekap, murah, dan tidak menimbulkan gangguan persekitaran, bertentangan dengan proses-proses yang memerlukan penggalian tanah. Buku teks fitopemuliihan yang paling sahih diterbitkan pada 2003 dengan rencana-rencana disumbangkan dan diulas setara oleh kumpulan-kumpulan penyelidikan fitopemulihan yang utama (Phytoremediation: Transformation and Control of Contaminants, disunting oleh Steven C. McCutcheon dan Jerald L. Schnoor).

Kelebihan dan pengehadan

Kelebihan:
- kos fitopemulihan lebih rendah daripada proses-proses tradisional, baik in situ dan ex situ;
- tumbuh-tumbuhan boleh diawasi dengan mudah;
- kemungkinan pemulihan dan penggunaan semula logam-logam yang bernilai (oleh syarikat-syarikat yang mengkhususkan "fitopelombongan"); dan
- kaedah ini paling kurang menjejaskan kerana menggunakan organisma semula jadi dan oleh itu, dapat mengekalkan keadaan persekitaran yang semula jadi.

Pengehadan:
- fitopemulihan hanya terhad kepada keluasan permukaan dan kedalaman yang dapat dijangkau oleh akar-akar;
- pertumbuhan yang perlahan serta biojisim yang rendah memerlukan komitmen jangka panjang;
- menerusi sistem pemulihan berasaskan tumbuh-tumbuhan, pelarutresapan bahan kontaminasi ke dalam air tanah tidak dapat dicegah dengan sepenuhnya (tanpa pemindahan seluruh tanah terkontaminasi yang pada dirinya tidak dapat mengatasi masalah pemalaan);
- kemandirian tumbuh-tumbuhan dijejaskan oleh ketoksikan tanah terkontaminasi dan keadaan am tanah; dan
- kemungkinan berlaku biopenumpukan bahan kontaminasi yang kemudian memasuki rantaian makanan daripada pengguna-pengguna peringkat primer ke atas.

Pelbagai proses fitopemulihan

Berbagai-bagai proses menerusi pengantaraan tumbuh-tumbuhan atau alga amat berguna dalam pengolahan masalah persekitaran:

Fitopengekstrakan - penyerapan dan pemekatan bahan-bahan dari alam sekitar ke dalam biojisim tumbuh-tumbuhan;
Fitopenstablian - pengurangan kebolehgerakan bahan-bahan di dalam alam sekitar, misalnya dengan membataskan pengawalan bahan-bahan di dalam tanah;
Fitotransformasi - pengubahsuaian kimia bahan-bahan persekitaran, hasil daripada metabolisme tumbuh-tumbuhan, yang seringnya menyebabkan pentakaktifan, pendegradasian (fitodegradasi) atau imobilisasi (fitopenstabilan);
Fitoperangsangan - peningkatan aktiviti mikrob tanah (biasanya organisma yang berkait dengan akar) untuk mendegradasikan bahan-bahan pencemar. Proses ini juga dikenali sebagai degradasi rizosfera.
Fitopemeruapan - pemindahan bahan-bahan dari tanah atau air ke dalam udara, kekadang menerusi fitotransformasi menjadi bahan-bahan yang lebih meruap dan/atau kurang mencemarkan.
Rizopenurasan - penurasan air menerusi akar-akar untuk menghapuskan bahan toksik atau nutrien yang berlebihan dari tanah berhampiran. (Bahan-bahan pencemar masih berada di dalam akar selepas penyerapan atau penjerapan.)

Fitopengekstrakan

Fitopengekstrakan (atau fitopenumpukan) mempergunakan tumbuh-tumbuhan atau alga untuk memindahkan bahan pencemar dari tanah, mendapan, atau air ke dalam biojisim tumbuh-tumbuhan boleh tuai. Kepopularan proses ini telah bertambah dengan pesat di seluruh dunia pada 20 tahun yang lalu. Umumnya, proses ini lebih digunakan untuk mengekstrak logam berat daripada mengekstrak bahan organik. Semasa pelupusan, bahan-bahan pencemar biasanya dipekatkan di dalam bahan tumbuhan yang isi padunya jauh lebih kecil, berbanding dengan tanah atau mendapan terkontaminasi yang asal. 'Pelombongan menerusi tumbuh-tumbuhan', iaitu fitopelombongan, kini juga diuji kaji.

Tumbuh-tumbuhan menyerap bahan-bahan pencemar menerusi sistem akar dan menyimpannya di dalam biojisim akar dan/atau menghantarnya ke batang, dahan, dan/atau daun. Tumbuh-tumbuhan itu boleh terus menyerap bahan-bahan pencemar sehingga dituai. Selepas penuaian, aras bahan pencemar yang lebih rendah akan tertinggal di dalam tanah. Kitaran penumbuhan/penuaian biasanya perlu diulangi untuk mencapai pembersihan yang bererti. Selepas proses ini, tanah yang dibersihkan itu boleh digunakan untuk menanam tumbuh-tumbuhan yang lain.

Kelebihan: Kelebihan utama fitopengekstrakan ialah ramah persekitaran, manakala kaedah-kaedah tradisional yang digunakan untuk membersihkan tanah terkontaminasi logam berat mengganggu struktur tanah dan mengurangkan daya pengeluaran tanah tersebut. Satu lagi kelebihan fitopengekstrakan ialah kosnya yang lebih murah daripada mana-mana proses pembersihan yang lain.

Kelemahan: Oleh sebab proses ini dikawal oleh tumbuh-tumbuhan, ia mengambil lebih banyak masa, berbanding dengan kaedah-kaedah pembersihan tanah tradisional.

Terdapat dua versi fitopengekstrakan seperti yang berikut:

hiperpenumbukan semula jadi: Tumbuh-tumbuhan menyerap bahan-bahan pencemar di dalam tanah melalui proses semula jadi tanpa dibantu; dan
hiperpenumpukan teraruh atau terbantu: Bendalir pensuasanaan yang mengandungi pengkelat atau agen yang lain dimasukkan ke dalam tanah untuk meningkatkan kebolehlarutan atau mobilisasi logam supaya tumbuh-tumbuhan dapat menyerapnya dengan lebih mudah. Dalam banyak kes, hiperpenumpuk semula jadi yang digunakan ialah tumbuh-tumbuhan metalofit yang dapat bertahan aras-aras logam toksik yang tinggi.

Contoh-contoh fitopengekstrakan dari tanah (lihat juga 'Jadual hiperpenumbuk' ):

Arsenik: Menerusi bunga matahari (Helianthus annuus), atau pakis Pteris sebagai hiperpenumbuk. Pakis Pteris menyimpan arsenik di dalam daunnya.
Kadmium: Menerusi dedalu (Salix viminalis). Pada 1999, sebuah uji kaji penyelidikan yang dilakukan oleh Maria Greger dan Tommy Landberg mencadangkan bahawa dedalu mempunyai kepotensian yang besar untuk digunakan sebagai fitopengekstrak untuk kadmium (Cd), zink (Zn), dan tembaga (Cu). Oleh sebab dedalu mempunyai sesetengah ciri khusus seperti keupayaan yang tinggi untuk mengangkut logam-logam berat dari akar ke pucuk serta pengeluaran biojisim yang besar, tumbuhan juga boleh digunakan untuk menghasilkan biotenaga di dalam loji kuasa biojisim.^[1]
Kadmium dan zink: Menerusi Alpine pennycress (Thlaspi caerulescens), khususnya pada aras yang logam-logam tersebut menjadi toksik kepada tumbuh-tumbuhan. Bagaimanapun, tembaga kelihatan menjejaskan pertumbuhan tumbuhan ini (lihat jadual untuk rujukan).
Plumbum: Menerusi Sawi (Brassica juncea), Ragweed (Ambrosia artemisiifolia), Hemp Dogbane (Apocynum cannabinum), atau pokok Populus yang mengasingkan plumbum dari tanah terkontaminasi ke dalam biojisimnya.
Garam biasa: Menerusi barli dan bit gula tahan garam (halofit sederhana) untuk mengekstrak natrium klorida (garam biasa) dari ladang tebus guna yang dahulu dibanjiri oleh air laut.
Uranium: Menerusi bunga matahari, sebagaimana yang digunakan selepas kemalangan Chernobyl.
Raksa, selenium dan bahan pencemar organik seperti poliklorin bifenil (PCB) telah dikeluarkan dari tanah oleh tumbuh-tumbuhan rentas gen yang mengandungi gen enzim bakteria.^[2]

Fitopenstabilan

Fitopenstablian menumpukan penstabilan jangka panjang serta pembendungan bahan pencemar. Misalnya, tumbuh-tumbuhan dapat mengurangkan hakisan angin, dan akar-akar tumbuhan dapat:

mencegah hakisan air;
melumpuhkan bahan-bahan pencemar menerusi penjerapan atau penumpukan; dan
membekalkan zon di sekitar akar yang bahan-bahan pencemar dapat dimendakkan dan distabilkan.

Berbeza dengan fitopengekstrakan, fitopenstabilan menumpukan terutamanya pada pengasingan bahan-bahan pencemar di dalam tanah yang berhampiran dengan akar-akar tetapi bukan di dalam tisu tumbuh-tumbuhan. Bahan-bahan pencemar menjadi kurang biotersedia, dengan ternakan, hidupan liar dan dedahan manusia dikurangkan. Salah satu contoh penggunaan sedemikian ialah penggunaan tukup vegetatif untuk menstabilkan dan mengurungkan amang lombong.^[3]

Fitotransformasi

Dalam kes bahan-bahan cemar organik seperti pestisid, bahan letupan, pelarut, kimia perindustrian, dan bahan-bahan xenobiotik yang lain, sesetengah tumbuh-tumbuhan seperti Pokok Bunga Tasbih menjadikan bahan-bahan tersebut tidak toksik menerusi metabolismenya. Dalam kes-kes yang lain, mikroorganisma yang hidup bersama-sama dengan akar-akar tumbuhan memetabolismekan bahan-bahan tersebut di dalam tanah atau air. Oleh sebab sebatian-sebatian yang kompleks itu tidak dapat dipecah menjadi molekul asas (air, karbon dioksida, dsb) oleh molekul tumbuh-tumbuhan, istilah "fitotransformasi" telah digunakan untuk merujuk kepada pengubahan struktur kimia tanpa pemecahan sebatian sepenuhnya. Istilah "Model Hati Hijau"^{[pautan mati kekal]} juga digunakan untuk memerihalkan fitotransformasi kerana tumbuh-tumbuhan bertindak dengan cara yang lebih kurang sama dengan hati manusia apabila mengolahkan sebatian xenobiotik (sebatian asing/bahan pencemar).

Metabolisme Fasa I: Selepas menyerap bahan xenobiotic, enzim-enzim tumbuh-tumbuhan meningkatkan kekutuban bahan xenobiotik dengan membubuh kelompok berfungsi seperti kelompok hidroksil (-OH) kepadanya. Caranya agak serupa dengan cara bagaimana hati manusia meningkatkan kekutuban drug dan sebatian-sebatian asing (metabolisme drug). Di dalam hati manusia, enzim-enzim seperti Sitokrom P450 bertanggungjawab untuk memulakan tindak-tindak balas manakala di dalam tumbuh-tumbuhan, enzim-enzim seperti nitroreduktase memainkan peranan yang sama.
Metabolisme Fasa II: Biomolekul tumbuh-tumbuhan seperti glukosa dan asid amino dibubuh ke dalam bahan xenobiotik terkutub untuk meningkatkan lagi kekutubannya (dikenali sebagai pengkonjugatan). Proses ini juga agak serupa dengan proses-proses yang berlaku di dalam pankreas manusia, dengan tindak-tindak balas pemasukan asid glukuronik (pemasukan molekul glukosa oleh kelas enzim UGT, misalnya UGT1A1) dan glutation berlaku di pusat-pusat reaktif xenobiotik. Tindak-tindak balas Fasa I dan Fasa II bertindak untuk meningkatkan kekutuban dan mengurangkan ketoksikan sebatian, walaupun terdapat banyak kekecualian terhadap kelaziman ini. Kekutuban tertingkat itu juga memudahkan pengangkutan bahan xenobiotik di dalam saluran akueus.
Metabolisme Fasa III: Dalam peringkat terakhir fitotransformasi, pensekuesteran bahan xenobiotik berlaku di dalam tumbuh-tumbuhan. Bahan-bahan tersebut mempolimer dengan cara yang seakan-akan lignin dan mengembangkan struktur kompleks yang diasingkan di dalam tumbuh-tumbuhan. Ini memastikan bahawa bahan-bahan xenobiotik disimpan dengan selamat dan tidak menjejaskan kefungsian tumbuh-tumbuhan tersebut. Bagaimanapun, kajian-kajian awal menunjukkan bahawa tumbuh-tumbuhan itu adalah toksik kepada haiwan kecil (seperti siput) dan oleh itu, tumbuh-tumbuhan yang terlibat dalam fitotransformasi perlu dipencilkan di dalam kurungan tertutup. Fitotransformasi trinitrotoluena telah diselidik secara meluas, dengan suatu laluan transformasi dicadangkan.^[4]

Peranan genetik

Program pembiakan dan kejuruteraan genetik merupakan kaedah-kaedah yang amat berkesan untuk mempertingkat keupayaan fitopemulihan semula jadi atau untuk memperkenalkan keupayaan baharu kepada tumbuh-tumbuhan. Gen-gen untuk fitopemulihan boleh berasal daripada sesuatu mikroorganisma atau dipindahkan dari sebuah tumbuhan ke jenis tumbuhan yang lain yang lebih dapat menyesuaikan diri kepada keadaan persekitaran di tapak pembersihan. Misalnya, gen-gen yang mengekod nitroreduktase daripada bakteria yang dimasukkan ke dalam tembakau menunjukkan penghapusan TNT yang lebih pantas dan ketahanan kesan toksik TNT yang lebih tinggi.^[5] Para penyelidik telah menemui suatu mekanisme di dalam tumbuhan tersebut yang membenarkannya hidup pada kepekatan pencemaran di dalam tanah yang boleh membawa maut kepada tumbuh-tumbuhan yang tidak dirawat sedemikian. Sesetengah sebatian terbiodegradasikan semula jadi (seperti poliamina eksogen) membenarkan tumbuh-tumbuhan bertahan kepekatan bahan pencemar sebanyak 500 kali lebih tinggi daripada tumbuh-tumbuhan yang tidak dirawat, serta membolehkan tumbuh-tumbuhan menyerap lebih banyak bahan pencemar.

Hiperpenumpuk dan interaksi biotik

Sesuatu tumbuhan dianggap sebagai hiperpenumpuk jika ia dapat memekatkan bahan-bahan pencemar pada peratusan yang minimum, dengan minimum itu berbeza-beza mengikut bahan pencemar yang terlibat (misalnya lebih daripada 1000 mg/kg berat kering untuk nikel, tembaga, kobalt, kromium, dan plumbum; atau lebih daripada 10,000 mg/kg untuk zink, dan mangan.^[6] Keupayaan penumpukan ini disebabkan oleh hipertoleransi atau fitotoleransi; hasil daripada evolusi penyesuaian diri terhadap persekitaran seteru selama banyak generasi. Sesetengah interaksi mungkin terjejas oleh hiperpenumpukan logam, termasuk perlindungan, gangguan kepada tumbuh-tumbuhan spesies lain yang berhampiran, kesalingan (termasuk mikorhiza, debunga, dan penyebaran biji), komensalisme, dan biofilem.

Jadual hiperpenumpuk

Rujukan

^ Greger M and Landberg T. Using of Willow in Phytoextraction. International Journal of Phytoremediation. 1999; 1(2):115-123.
^ Meagher, RB (2000). "Phytoremediation of toxic elemental and organic pollutants". Current Opinion In Plant Biology. 3 (2): 153–162. doi:10.1016/S1369-5266(99)00054-0. PMID 10712958.
^ Mendez MO, Maier RM (2008). "Phytostabilization of mine tailings in arid and semiarid environments—an emerging remediation technology". Environ Health Perspect. 116 (3): 278–83. doi:10.1289/ehp.10608. Diarkibkan daripada yang asal pada 2008-10-24. Dicapai pada 2009-09-06.
^ Murali Subramanian, David J. Oliver, and Jacqueline V. Shanks. TNT Phytotransformation Pathway Characteristics in Arabidopsis: Role of Aromatic Hydroxylamines. Biotechnol. Prog., 22 (1), 208 -216, 2006.
^ Hannink N, Rosser SJ, French CE, Basran A, Murray JA, Nicklin S, Bruce NC. Phytodetoxification of TNT by transgenic plants expressing a bacterial nitroreductase. 1: Nat Biotechnol. 2001 Dec;19(12):1168-72.
^ A.J.M. Baker, R.R. Brooks. Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elements – A review of their distribution, ecology and phytochemistry. Biorecovery (1989), 1:81–126

Lihat juga

Biodegradasi
Biopemulihan
John Todd - pengasas bersama New Alchemy Institute

Pautan luar

What is Phytoremediation? Diarkibkan 2011-07-19 di Wayback Machine A good overview.
International Journal of Phytoremediation - devoted to the publication of current laboratory and field research describing the use of plant systems to remediate contaminated environments.
Using Plants To Clean Up Soils - from Agricultural Research magazine
Phytoremediation website hosted by the Missouri Botanical Garden Diarkibkan 2010-10-17 di Wayback Machine - Review Articles, Conferences, Phytoremediation Links, Research Sponsors, Books and Journals, and Recent Research.

Bibliografi

[Greger-1] Greger M and Landberg T. Using of Willow in Phytoextraction. International Journal of Phytoremediation. 1999; 1(2):115-123.

[2] Meagher, RB (2000). "Phytoremediation of toxic elemental and organic pollutants". Current Opinion In Plant Biology. 3 (2): 153–162. doi:10.1016/S1369-5266(99)00054-0. PMID 10712958.

[3] Mendez MO, Maier RM (2008). "Phytostabilization of mine tailings in arid and semiarid environments—an emerging remediation technology". Environ Health Perspect. 116 (3): 278–83. doi:10.1289/ehp.10608. Diarkibkan daripada yang asal pada 2008-10-24. Dicapai pada 2009-09-06.

[Subra-4] Murali Subramanian, David J. Oliver, and Jacqueline V. Shanks. TNT Phytotransformation Pathway Characteristics in Arabidopsis: Role of Aromatic Hydroxylamines. Biotechnol. Prog., 22 (1), 208 -216, 2006.

[Hannink-5] Hannink N, Rosser SJ, French CE, Basran A, Murray JA, Nicklin S, Bruce NC. Phytodetoxification of TNT by transgenic plants expressing a bacterial nitroreductase. 1: Nat Biotechnol. 2001 Dec;19(12):1168-72.

[BB89-6] A.J.M. Baker, R.R. Brooks. Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elements – A review of their distribution, ecology and phytochemistry. Biorecovery (1989), 1:81–126

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]