Dvojí tvář těžkých kovů

Kovy ve výživě rostlin

Jako „těžké kovy“ označujeme kovové prvky s hustotou vyšší než 5 gramů na centimetr krychlový. Jsou přirozenou součástí zemské kůry. Organismy se proto během evoluce naučily s jejich přítomností vypořádat a některé dokonce využít ve svůj prospěch. Třeba bez železa, zinku nebo mědi nefungují v rostlinách důležité metabolické dráhy. Kovy jsou často klíčovou součástí enzymů. Prospěšné množství jednotlivých těžkých kovů je však velmi malé – jejich obsah v sušině rostlin se pohybuje od desetin (například u niklu) do stovek (například u železa) miligramů na kilogram. Patří nicméně mezi prvky pro rostliny nezbytné, kterým kvůli malé koncentraci v buňkách říkáme mikroprvky.

Rostliny přijímají potřebné kovy v podobě iontů za pomoci takzvaných membránových transportérů. Tyto bílkoviny zajišťují přenos iontů přes plazmatickou membránu dovnitř buňky. Rostliny se nemohou za potravou pohybovat – mají proto zvláštní mechanismy, jež se aktivují při nedostatku konkrétní živiny. Kořeny třeba mohou vylučovat organické látky, které uvolňují kovy z chemických vazeb v půdě a zvyšují tak jejich dostupnost.

Všeho moc škodí

Pro zajištění životních procesů potřebuje rostlina pouze přiměřené množství kovů. Když je jich v prostředí nadbytek, tak se v rostlinách hromadí a začínají škodit. V tu chvíli už nehraje roli, zda jde o kov potřebný, nebo toxický, který žádné prospěšné funkce neplní (jako je kadmium, rtuť či olovo).

Stanoviště s vysokým obsahem kovů se v přírodě vyskytují přirozeně a osidlují je druhy schopné se s takovou zátěží vypořádat. Příkladem jsou lokality na hadcovém podloží, kde najdeme v půdě mnoho niklu, chromu nebo kobaltu. Podobná stanoviště vytváří také člověk; velká koncentrace kovů může být třeba v důlní hlušině svážené na výsypky.

Černí pasažéři a co s nimi

Jak se do rostliny dostanou toxické kovy? Většinou využijí transportní bílkoviny určené pro příjem potřebných prvků – železa, zinku, manganu či dalších. Transportéry totiž nerozlišují ionty jednotlivých kovů se stoprocentní spolehlivostí, takže občas pomohou proklouznout i „černým pasažérům“.

Rostliny si vyvinuly různé způsoby, jak se proti toxicitě kovů bránit. Jedním mechanismem jsou specializované vrstvy buněk uvnitř kořene, nazývané endodermis a exodermis. Jde o bariéry brzdící nadměrný příjem kovových iontů, které se pohybují společně s vodním roztokem v buněčných stěnách a mezibuněčných prostorech. Bariéru si můžeme představit jako hranici s přechody. Hranici tvoří buněčná stěna prostoupená ligninem, jenž blokuje volný průchod iontů. Pro další pohyb do nitra kořene musí být ionty přesunuty dovnitř buněk pomocí transportních bílkovin. Tím je zajištěn jejich kontrolovaný vstup. Na Přírodovědecké fakultě UK jsme v několika studiích zkoumali vytváření těchto bariér u různých druhů rostlin.

Protože „hraniční kontrola“ není stoprocentní, těžké kovy se při nadbytku v prostředí přece jen dostávají do buněk ve větší míře. Důležitý je proto i jejich „úklid“ uvnitř buňky. Zde se vážou na specializované bílkoviny a peptidy (kratší aminokyselinové řetězce) bohaté na aminokyselinu cystein. Ve vazbě s nimi již nepoškozují buněčné struktury a jsou buď bezpečně dopraveny k dalšímu využití v metabolismu, nebo odloženy jako nežádoucí odpad do vakuoly.

Hyperakumulátoři kovů

Pod tímto krkolomným názvem se skrývají velmi zajímavé rostliny – rekordmani v hromadění kovů. Díky vyšší aktivitě transportních bílkovin je cíleně akumulují až do koncentrací několikanásobně větších než u běžných druhů. Příkladem může být penízek modravý (Thlaspi caerulescens), který umí hromadit zinek, kadmium a nikl. Kapradina křídelnice (Pteris vittata) je zase jediným známým druhem schopným z půdy přijímat a v listech ukládat arsen, velice jedovatý polokov.

Tyto rostliny často pocházejí ze stanovišť s vysokou koncentrací kovů. Svou zvláštní schopnost zřejmě používají, aby se vypořádaly nejen s toxicitou přítomných prvků, ale i s konkurenty, kteří stejný trik neovládají. Pro biology jsou zajímavým objektem ke studiu. Umožňují totiž porozumět mechanismu hyperakumulace, což je první krok k jeho potenciálnímu využití. Mohli bychom například vyšlechtit plodiny se zvýšeným obsahem mikroprvků důležitých pro výživu člověka nebo rostliny vhodné pro čištění lokalit kontaminovaných těžkými kovy.

Zelení čističi

Využití rostlin pro odstranění toxických látek z životního prostředí (či jejich přeměnu na látky méně nebezpečné) je označováno jako fytoremediace. Pro těžké kovy připadají v úvahu dva hlavní postupy. Prvním je takzvaná fytostabilizace. Při ní například kořeny uvolňují látky, na které se v půdě navážou ionty kovů a přestanou být pro rostliny dostupné. To je žádoucí u zemědělských plodin pěstovaných ve znečištěných oblastech. Druhou metodou je fytoextrakce, kdy rostliny naopak kovy přijímají a ukládají je do nadzemních orgánů v neaktivní formě.