Těžké kovy jsou prvky obsažené v zemské kůře v nepatrných množstvích. Drahé kovy se člověk od pradávna snažil získávat a využívat pro výrobu nástrojů, ozdobných předmětů, ale i jako platidla. Na druhé straně se těží řada prvků, které se stávají nebezpečnými v životním prostředí. Jak se jich zbavit?
Do přírody se dostávají především z těžebního a metalurgického průmyslu. Dalším významným zdrojem byly v minulosti hnojiva (superfosfáty) s nedostatečně kontrolovaným obsahem těžkých kovů. Tady přichází věda s přirozenými pomocníky. Jsou jimi rostliny, které dokážou těžké kovy z půdy odstranit, a co více, pomocí moderních postupů je můžeme využívat jako horníky k dobývání drahých kovů.
Sluha musí být pod kontrolou
Jakmile se tyto prvky jednou dostanou do oběhu, je velmi těžké je znovu někde uložit, protože nepodléhají rozkladu a hromadí se v organismech podél celého potravního řetězce. Mají přitom mnoho negativních účinků na přírodu a na lidské zdraví již ve stopových koncentracích. Mezi nejznámější toxické těžké kovy patří kadmium, olovo, arsen a rtuť ve svých rozpustných formách, mezi další nebezpečné kovy patří nikl, kobalt, chrom a selen, bez viny nejsou dokonce ani zlato a stříbro. Jejich význam je obrovský a lidstvo budou provázet i nadále, pokud budeme chtít zachovat technologický pokrok. Jen bychom se měli pokusit s těmito vzácnými prvky lépe zacházet a kultivovaně se k nim chovat.
V čem je nebezpečnost těžkých kovů?
Jak vlastně můžou těžké kovy škodit? V živých buňkách jsou prvky kovů nezbytnou součástí. Dokonce jsou schopny řídit nepřeberné množství chemických reakcí v těchto buňkách jako součást enzymů. Pokud je však těchto prvků moc, začnou působit jako inhibitory řady enzymů, zjednodušeně řečeno brání jejich činnosti a tím brání správnému průběhu životních funkcí. Mohou ovlivnit např. dýchání, získávání živin, růst, rozmnožování a obranyschopnost organismu.
Prvkem, který způsobuje hromadné otravy lidí více než dva tisíce let, je olovo. Olovo se používalo pro své vynikající vlastnosti pro výstavbu vodovodů. Přílišné používání takové vody s vysokou koncentrací olova vede k chronické otravě. Ta se projevuje bledostí, sklíčenou náladou, vyhublostí, agresivitou a u dětí může způsobit až mentální retardaci. Chronická otrava olovem byla dříve označována jako „nemoc klaunů“. Chlorid olovnatý je totiž prášek bílé barvy, který výborně hodí jako líčidlo, a proto byl takto po několik staletí používán. „Smutek klauna“ byl vysvětlován jako kompenzace jeho veselosti na jevišti. Další nebezpečný těžký kov, kadmium, může v případě chronické otravy způsobovat neplodnost, poškození jater, plic a kostí, rakovinu a poškození zárodků v těle matky.
21. STOLETÍ vysvětluje:
Podle jedné z definic jsou těžké kovy skupinou prvků mezi mědí a olovem v periodické tabulce prvků – jejich atomová číslo se pohybuje v rozmezí 63,546 až 200,590 a specifická hmotnost vetší než 4.
Zvířata nebezpečné místo opustí
Živočichové se mohou z kontaminovaných oblastí relativně snadno přesunout jinam. To bylo zcela nedávno prokázáno na koloniích mořských ptáků. V případě, že se usadili na místě s vysokou koncentrací kadmia, toto místo do několika týdnů hromadně opustili. Rostliny si bohužel příliš vybrat nemohou a musí růst tam, kde vyklíčila jejich semena či kam doputovaly svými šlahouny. Také jejich možnosti zbavit se jednou přijatých látek, jsou omezené. Nezbývá jim nic jiného, než takovéto látky rozložit a zabudovat do svého těla a nebo je aspoň přesunout někam, kde budou škodit co nejméně. Proces příjmu těžkých kovů sice rostlina může kontrolovat, ale jen do určité míry. Pokud příjem kovu přesáhne únosnou hranici, musí rostlina vyřešit, již klasickou otázku: Kam s ním? Těchto možností je celá řada, např. ukládání ve vakuolách (jednoduchou membránou ohraničený prostor v buňkách rostlin) nebo transport do okrajových částí rostliny. Takovým místem jsou třeba také drobné výrůstky na listech nebo stoncích – trichomy.
21. STOLETÍ vysvětluje
Trichom („chlup“) je dlouhý výčnělek na pokožce rostlin, vznikající z pokožkových buněk rostlin. Může být jedno- i vícebuněčný.
Rostliny záchranářky
Schopnost některých rostlin odstranit těžké kovy nebo i jiné látky z kontaminované půdy je již běžně používána v procesu zvaném fytoremediace. Tato nápravná technologie byla poprvé použita v roce 1953 na Uralu, který byl velmi silně zasažen v důsledku těžebních aktivit. Umožňuje elegantní způsob odstranění těžkých kovů jednoduše tak, že se zasažená půda osází těmito rostlinami, které se po skončení růstu sklidí. Tento proces je podle potřeby možno opakovat. Postup má oproti klasickým technikám rekultivace půd několik výhod – nejedná se o drastický zásah do krajiny, proces fytoremediace, při kterém rostlina ,,sama“ vyroste, je elegantní, ekologickou a levnou metodou, není nutno kontaminovanou půdu odstraňovat, odvážet, louhovat a vracet na původní místo. Použité rostliny jsou jednoduše sklizeny a poté obvykle spáleny ve spalovně nebezpečných odpadů, další cestou je kompostování sklizených rostlin nebo chemická extrakce za účelem jeho zkoncentrování. Takovými rostlinami mohou být například technické plodiny, len či konopí. Vybrané druhy konopí dokonce slouží pro získávání uranu ze znečištěných vod – mohou nahromadit až 1,2 g uranu na 10 kg biomasy.
21. STOLETÍ vysvětluje:
Fytoremediace je definována jako užití různých druhů rostlin k přesunu, akumulaci nebo odstraňování kontaminantů životního prostředí. Fytoremediace se nejlépe uplatňuje v místech s povrchovým znečištěním a bylo zjištěno, že je účinná jak pro organické sloučeniny, tak i pro anorganické sloučeniny – toxické těžké kovy (kadmium, olovo, rtuť, arsen, stříbro). Fytoremediace používá pro odstranění těžkých kovů dvě základní strategie – fytodekontaminaci a fytostabilizaci, v případě fytodekontaminace jsou těžké kovy z půdy odstraněny, v případě fytostabilizace rostliny zajišťují, aby se kontaminace půdy dále nerozšiřovala.
Rostliny jako horníci?
Ložiska vzácných prvků jsou vytěžená a jejich množství v půdě je pro současné postupy prakticky nedobytné. Zde mohou nastoupit rostlinní horníci. Tento proces se nazývá fytomining (fytodolování, fytodobývání) a lze jej s úspěchem použít pro získávání kovů z půd, kde by se klasická těžba nevyplatila. Tuto metodu je možné použít pro těžbu thalia, kobaltu, uranu, niklu, kadmia, mědi a manganu. Celý postup je tedy opravdu naprosto elegantní – na jedné straně zbavíme prostředí nepříjemného prvku a na straně druhé získáme strategickou surovinu. Co potřebujeme? Jsou to rostliny, které mohou přijmout takového prvku velké množství. Označujeme je jako hyperakumulující rostliny. Jednou z nich je například kapradina křídelnice (Pteris vittata), která dokáže přímo zázračně hltat z půdy nebezpečný arzen. Známé jsou i některé druhy česneku, které si pochutnávají na niklu. Zatím je známo asi 400 druhů rostlinných hyperakumulátorů.
Pro velmi lukrativní těžbu platiny a paladia doposud nejsou žádné takové rostliny známy, pro zlato a stříbro byl nalezen hyperakumulátor zcela nedávno. Experimenty v tomto směru se dělají například s přesličkou. Jednotlivé rostliny se liší ve způsobu ukládání těžkých kovů. K jejich akumulaci může docházet buď v kořenech, listech, případně v celé rostlině. Další otázkou je, v jaké podobě jsou kovy akumulovány, jestli v nerozpustné kovové formě či jako soli, ale doposud bylo zjištěno, že se jedná především o kovovou formu. Výzkum je v této oblasti na začátku, ale prudce se rozvíjí a není daleko doba, kdy místo bagrů bude těžbu zajišťovat pole krásně kvetoucích rostlinných horníků.
Budou rostliny produkovat nanočástice?
Vědci na univerzitě v Sydney pěstovali rostliny řepky (Brassica juncea) a vojtěšky (Medicago sativa) v půdě obohacené ionty stříbra a zlata a zjistili, že tyto rostliny opravdu produkují použitelné nanočástice v dostatečném množství. Po nalezení vhodného postupu, jak je z rostlin získat, by mohla být produkce nanočástic výrazně usnadněna. To, že rostliny umějí vyrábět nanočástice, přitom není žádná novinka, vědci zjistili, že rostliny umějí vyrobit nanočástice i ze zlata, uhlíku a jiných materiálů, a pro pěstování nanočástic zkoušeli použít celou řadu rostlin, například slunečnice, salát, řepku a brukev.
Nanotechnologie a nanomateriály
Předponu nano- v nejrůznějších spojeních kolem sebe slyšíme v nejrůznějších souvislostech, a to i v oborech, kde bychom to určitě nečekali. Jak si vlastně nanočástice představit? Co to vlastně je? V současnosti jsou známé nejrůznější nanomateriály založené buď na polymerních sloučeninách, uhlíku nebo kovech, například stříbře a zlatu. Proč tyto materiály vlastně umožňují miniaturizaci? Pro příklad z našeho „makrosvěta“ nemusíme chodit daleko, buď vyhlédneme z okna a s velkou pravděpodobností uvidíme panelák, nebo se podíváme na svůj psací stůl. Pravděpodobně je na něm spousta papírů, které jsou možná poněkud rozházené. Až se nám stůl postupně zaplní, buď papíry skončí v koši, nebo je třeba vymyslet nějaký efektivnější způsob jejich skladování. Takže si pořídíme patrový pořadač, který nám umožní jednotlivé hromádky umístit nad sebe a my máme zase místo na hrnek s kafem. Díky použití patrového pořadače jsme vlastně několikanásobně zvětšili plochu stolu, na kterou můžeme písemnosti odkládat. Na stejném principu je založena miniaturizace nanozařízení. Nanomateriály díky své struktuře zvyšují využitelný povrch tím, že tvoří „patra“, i když v nejrůznějším uspořádání – od vrstviček přes trubičky až ke kuličkám. Efekt je podobný jako v případě paneláků či úklidu našeho přeplněného stolu – zvětšení použitelného povrchu.
Možnosti kovových nanočástic
Použití kovových nanočástic má velký potenciál v celé řadě medicínských a elektronických aplikací. Prvním zábleskem jejich běžného použití jsou ponožky a spodní prádlo s přídavkem stříbrných nanočástic, které zabraňují množení bakterií a tím i vzniku nelibého odéru. V případě masového uplatnění nanotechnologií vyvstává otázka, kde nanočástice vzít a nekrást. Jejich výroba v laboratoři je poměrně náročná, i když se v podstatě jedná o kovové kuličky s velmi malým průměrem. Pokud bychom je mohli pěstovat v rostlinách, zpřístupnily by se tyto technologie širokým vrstvám a otevřela by se cesta k jejich použití i tam, kde to kvůli jejich vysoké ceně doposud není možné.
Tato zjištění jsou zatím jenom první krůčky na mnohakilometrovém pochodu, na jehož konci jsou pole osetá pilně pracujícími rostlinami, které možná, narozdíl od dnešní situace, budou hlavním znakem průmyslově využívané krajiny. Dnešní následky průmyslové výroby – otrávené řeky bez ryb, měsíční krajiny a pustiny, kde po léta nic nevyroste, se stanou minulostí.
Více se dozvíte
Macková, M., Dowling, D. N., Macek, T.: Phytoremediation and Rhizoremediation. Springer 2006.
Mezinárodní organizace: http://www.phytosociety.org/index.htm
Mezinárodní časopis zaměřený na uvedenou problematiku: http://www.informaworld.com/smpp/title~db=all~content=t713610150
Otrava těžkými kovy
Akutní otrava – důsledek jednorázového nebo krátkodobého vystavení toxické sloučenině. Projevuje se zpravidla méně či vážnějšími klinickými projevy. Při vysoké koncentraci toxické sloučeniny může vést ke smrti jedince.
Chronická otrava – důsledek dlouhodobé expozice toxické sloučenině. Klinické projevy nejsou nezbytně patrné a jedinec dlouhodobě přežívá. Umírá často na jinou příčinu, která však s toxickou sloučeninou může mít souvislost.
Horníci mezi rostlinami
Některé rostlinné druhy, tzv. hyperakumulátory, vynikají schopností hromadit těžké kovy, bohužel se většinou jedná o velmi malé rostliny, které produkují málo zelené hmoty a jsou vázané na konkrétní klimatickou oblast. Velký potenciál pro akumulaci těžkých kovů mají například penízek rolní (Thlaspi cerulescens), řepka olejka (Brassica oleracea), huseníček rolní (Arabidopsis thaliana), slunečnice roční (Helianthus annuus), vojtěšky (Medicago sativa nebo Alyssum bertolonii a Berkheya coddii). Schopnost hyperakumulace těžkých kovů také houby a někteří paraziti, díky kterým jsou jejich hostitelé schopni přežívat takové koncentrace, které by jejich nenapadené „kolegy“ spolehlivě usmrtily nebo jim alespoň způsobily závažné potíže.
Nanotechnologie v budoucnosti
Nanotechnologie jsou bouřlivě se vyvíjející odvětví vědy a průmyslu zasahující téměř až do oblastí sci-fi. Pravděpodobně nejznámější představa, spojená s nanotechnologiemi, je robotek putující v našem krevním řečišti a opravující poškozené molekuly, doručující léčivo či likvidující patogenní bakterie či viry.
V dnešním běžném životě mají nanotechnologie poněkud prozaičtější uplatnění – mohou zařídit, aby nám nepáchly ponožky, neleskly se brýle, šaty rychle uschly, méně se špinily a pomaleji hořely, případně aby léky lépe účinkovaly.
Nanotechnologie pro identifikaci
Použití nanočástic také umožní miniaturizaci zařízení používaných pro diagnostiku nebo v elektronice, díky čemuž mohou být například mobilní telefony čím dál menší, možná v blízké budoucnosti na mobil nebudeme potřebovat kapsy a nebudeme při každém příchozím hovoru prohledávat oblečení, tašky, případně celou místnost a nebudeme jej zapomínat v restauracích či tramvajích jednoduše proto, že bude součástí naší ruky v podobě čipu, který bude zároveň plnit funkci všech těch plastových kartiček, na základě kterých nás pustí přes hranice, vydají nám naše (a někdy i cizí) peníze, které pořád někde ztrácíme, zapomínáme PIN a které jsou nezanedbatelným zdrojem plastového odpadu. Vzhledem k tomu, že platební karta váží přibližně 5 gramů, stejně jako různé průkazy a že pro jednotlivce není problém vlastnit těchto kartiček i 10, v případě jejich často krátké platnosti a životnosti je reálné, že jenom v České republice jsou za rok vyprodukovány desítky tun plastového odpadu tohoto původu, nehledě na kovový odpad z identifikačních čipů.
