2011_17 Fitorremediacion

Departamento de Fisiologa, Biologa Molecular y Celular Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Universidad de Buenos Aires

Agrobiotecnologa Curso 2011

FitorremediacinAlejandro Mentaberry

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

SumarioAlternativas actuales para eliminar contaminaciones de metales pesadosFitorremediacin

- Ventajas- Limitaciones- Tipos de plantas ms utilizadas

Tipos de fitorremediacin- Fitoextraccin- Rizofiltracin- Fitotransformacin- Fitodegradacin de compuestos orgnicos- Fitoestimulacin- Fitoestabilizacin

Plantas transgnicas para detectar compuestos inorgnicos txicos en el medio ambienteReferencias

Alternativas actuales para eliminar contaminaciones de metales pesados

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Agrobiotecnologa a Riley et al.b Clean up Standards for contaminated sites. New Jersey, Department of Environmental Protection(1996)c Microgramos por gramod Picocuries por gramoe Picocuries por kilogramof Stern et al.

-------0,00011-3.500.000 ePlutonio

-------0,02-46.900 eCesio

-------0,03-540.000 eEstronio

-------

250 f0,2-16.000 c

0,06-18.700 dUranio

pCi . g-1UnidadesRadionucletidos

1.500150-5.000.000Zinc

60030-550.000Cobre

2700,1-1.800.000Mercurio

1005,1-3.950.000Cromo

20100-102.000Arsnico

100100-345.000Cadmio

6001.000-6.900.000Plomo

(mg/Kg) b(g/Kg)aMetalesLmite regulatorioRango de concentracinElemento

Rangos de concentracin comnmente hallados y lmites permitidos paralos contaminantes metlicos y los radionucletidos ms importantes

Fitorremediacin

Tomado de: Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 1998.

Suelos- Rellenado de terrenos- Fijacin qumica e impermeabilizacin

superficial- Lixiviacin y reposicin del suelo

Aguas- Precipitacin o floculacin- Intercambio inico- Osmosis inversa- Microfiltracin

Alternativas actuales para eliminar contaminaciones de metales pesados

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Mercado potencial para la descontaminacin ambiental en Estados Unidos mediante las tecnologas actuales

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

En los ltimos 10 aos se ha desarrollado un mercado . importante para la biorremediacin, principalmente en . Estados Unidos.

Productos txicos: ~ U$S 400.000 M Metales pesados: ~ U$S 7.100 M Metales pesados y txicos: ~ U$S 35.400 M

El costo estimado para remediar los sitios utilizados . por el Departamento de Energa Atmica por mtodos . convencionales se calcul en U$S 142.000 M

En 2005, el mercado norteamericano de remediacin . ambiental era de U$S 6.000 a 8.000 M por ao.

El mercado norteamericano de fitorremediacin era de . U$S 100-150 M anuales (0.5% del total de remediacin).

El mercado comercial de fitorremediacin comprende . 80% de contaminantes orgnicos y 20% de inorgnicos.

El mercado de fitorremediacin creci de 3 y 5 veces . entre 1999 y 2005.

La fitorremediacin es econmicamente competitiva respecto de otras alternativas de remediacin

Adaptado de Chappell, US Environmental Protection Agency,1998.

Fitorremediacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Conjunto de mtodos para degradar, asimilar, metabolizar o detoxificar metales pesados y compuestos orgnicos por medio de la utilizacin de plantas.

Es el empleo de vegetacin parael tratamiento in situ de suelos, sedimentos y aguas contaminadas.

Fitorremediacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Se basa en los procesos que ocurren naturalmente por los cuales las plantas

y los microorganismos rizosfricos degradan y secuestran contaminantes

orgnicos e inorgnicos

Sustratos slidos (suelos y sedimentos):- sitios militares (TNT, metales, orgnicos)- campos agrcolas (herbicidas, pesticidas, metales, selenio)- sitios industriales (orgnicos, metales, arsnico)- minas (metales)- sitios de tratamiento de maderas (hidrocarburos aromticos policclicos; PAHs)

Sustratos lquidos- aguas residuales (nutrientes, metales)- drenajes de agricultura (nutrientes, fertilizantes, metales,

arsnico, selenio, boro, pesticidas orgnicos y herbicidas)- efluentes industriales (metales, selenio)- efluentes de minera (metales)- plumas subterrneas (metales, compuestos orgnicos)

Sustratos gaseosos- aire libre e interior (xidos de nitrgeno, SO2, ozono, CO2, gases neurotxicos, partculas de holln, e hidrocarburos halogenados voltiles)

La fitorremediacin permite detoxificar distintos sustratos

Contaminantes orgnicos

Son consecuencia de las actividades humanas:- industria petroqumica (derrames de combustibles y solventes)- actividades militares (explosivos y armas qumicas)- agricultura (pesticidas, herbicidas)- industria qumica (efluentes)- industria forestal y maderera (efluentes)

Dependiendo de sus propiedades, pueden ser:- degradados en la zona radicular

- incorporados a la planta degradacinsecuestrovolatilizacin

Ejemplos de descontaminaciones exitosas por fitorremediacin:Solventes orgnicos, herbicidas, explosivos, hidrocarburos derivados del petrleo, bifenilos policlorinados (PCBs), tricloroetileno (TCE), hidrocarburos aromticos policclicos (PAHs).

Pueden ser consecuencia de elementos naturales presentes en la corteza . terrestre y/o en la atmsfera, o resultado de actividades humanas:

- minera- industria- transporte- agricultura- actividades militares

No pueden ser degradados, pero pueden fitorremediarse mediante . estabilizacin o secuestro en la parte cosechable de la planta.

Ejemplos de descontaminaciones exitosas por fitorremediacin:Macronutrientes vegetales (nitrato y fosfato), elementos traza (Cr, Cu, Fe,

. Mn, Mo, Zn), elementos no esenciales (Cd, Co, F, Hg, Se, Pb, V y W), e

. istopos radioactivos (238U, 137Cs y 90Sr), entre otros.

Contaminantes inorgnicos

Ventajas

Las plantas pueden ser utilizadas como bombas extractoras de bajo costo para depurar suelos y aguascontaminadas (costo 7-10 veces menor respecto de los

. mtodos tradicionales).

- Las plantas emplean energa solar.- El tratamiento es in situ.

Algunos procesos degradativos ocurren en forma ms rpida con plantas que con microorganismos.

Es un mtodo apropiado para descontaminar superficies grandes o para finalizar la descontaminacin de reas restringidas en plazos largos.

Es una metodologa con buena aceptacin pblica.

Se generan menos residuos secundarios.

Fitorremediacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Limitaciones

El proceso se limita a la profundidad de penetracinde las races o a aguas poco profundas.

La fitotoxicidad es un limitante en reas fuertemente contaminadas.

Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados.

La biodisponibilidad de los compuestos o metaleses un factor limitante de la captacin.

Deben considerarse contaminaciones potencialesde la cadena alimentaria y napas de agua.

Se requiere comprender mejor la naturalezade los productos de degradacin (fitodegradacin).

Falta elaborar el marco regulatorio detallado.

Fitorremediacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Captacin por las races:- Movilizacin de los metales

Quelacin mediante fitosiderforos Unin a protenas quelantes (fitoquelatinas) Acidificacin por exudado de H+

- Captacin por la raz Via apoplstica Va simplstica

Transporte:- Almacenamiento en raz o exportacin al tallo por xilema- Transporte por xilema o redistribucin por floema- Almacenamiento en vacuolas

Mecanismos de evasin o tolerancia:- Captacin celular limitada (evasin)- Metabolismo tolerante a metales pesados- Detoxificacin por quelacin, compartimentalizacino precipitacin

Mecanismos ms probables:- Compartimentalizacin en vacuolas y quelacin con fitoquelatinas (Cd2+, Zn2+, Cu2+ )

- Precipitacin como fitatos (Zn2+)

Biologa de la acumulacinde metalesen plantas

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Mecanismos involucrados en la quelacin y compartimentali-zacin

Mecanismos de tolerancia para contaminantes orgnicos e inorgnicos en plantas.La detoxificacin generalmente involucra la conjugacin seguida del secuestro activo en la

vacuola y el apoplasto, donde el contaminante hace el menor dao. Los quelantes son: glutatin (GSH), glucosa (Glu), metalotionenas (MT), nicotinamina (NA), cidos orgnicos (OA,

fitoquelatinas (PC). Los transportadores se representan por cajas con flechas.

Adaptado de: Pilon-Smits, Annual Review in Plant Biollogy, 2005.

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Contaminante

inorgnico

Contaminante

orgnico

adsorcin

pared celular

secuestro

citoplasma

secuestro

vacuola

modificacin

enzimtica

degradacin

enzimtica

conjugacin

Estrategias de fitorremediacin utilizadas para remediar agua, suelo o aire contaminados.

Adaptado de: Pilon-Smits, Annual Review in Plant Biology, 2005.

hidroponia(rizofiltracin)

humedal artificial

barrera hidrulica fitoextraccin y fitoestabilizacion

filtracin de aire

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Plantas usadas como barrera hidrulica

para prevenir la contaminacin de

napas y la dispersin horizontal de plumas.

Plantas usadas como filtros

Seleccin de la especie vegetal

Datos de toxicidad y de degradacin de contaminantes

Tasa de captacin del contaminante y tiempode limpieza requerido

Esquema y densidad de las plantaciones

Costos de Irrigacin, insumos agronmicos, . mantenimiento y gastos de cosecha.

Zona de captura de agua y tasa de transpiracin

Anlisis de riesgos contingentes (plagas, sequas, etc.)

Diseo de sistemas de fitorremediacin

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Fitorremediacin

Freatfitas- Plantas de races profundas

(lamo, sauce, algodonero). Pasturas

- Por su tipo de raz retienen el suelo. Legumimosas

- Permiten enriquecer el suelo en N2. Acuticas

- Permiten la degradacin de contaminantesen humedales artificiales.

Tipos de plantas ms utilizadas

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Fitorremediacin

Algunas especies propuestas para fitorremediacin

Thlapsi caerulescens

Brassica juncea

Silene vulgaris Alyssum lesbiacum Festuca arundinacea

Hibiscus cannabinusLotus corniculatus

Agrobiotecnologa

Ejemplosde pruebasde campo para fitorremediacin de metales

FitorremediacinTomado de: Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998.

a: Mtodos de fitorremediacin. FE: fitoextraccin; FV: fitovolatilizacin; RF: rizofiltracin; FEAQ: fitoextraccin asistida por quelantes; FEC: fitoextraccin continua

ComentariosLa incorporacin de Pb2+aplicando EDTA result en la reduccin del 28% en la contaminacin en el rea en una temporada de cosecha.

Fitoextraccin de suelos enmendados con barros sedimentarios. La acumulacin de Zn2+en T. caerulescensfue 10 veces mayor que en otras plantas.

Suelos enmendados con sedimentos.

El contenido de B extraiblepor agua se redujo entre 24% y 52%, y el de Se seredujo entre 13% y 48% por todas las especies.

Remocin de U de aguas subterrneas

Mtodoa

FE-FEAQ

FE-FEC

FE-FEC

FE-FECFV

RF

UbicacinTrenton, N.J.

Beltsville, Md.

Rothamstead, U.K.

Los Baos, California

Asthabula, Ohio

PlantaBrassica juncea

Thlapsi caerulescensSilene vulgaris

Brassica oleraceaRaphanus sativus

Thlapsi caerulescensAlyssum lesbiacum

Alyssum muraleArabidopsis thaliana

Brassica junceaFestuca arundinacea

Lotus corniculatus

Helianthus annus

MetalPb

CdZn

ZnCdNiCuPbCrSeB

U

ComentariosLa incorporacin de Pbresult en la reduccin del 28% en la contaminacin en el rea en una temporada de cosecha.

Fitoextraccin de suelos enmendados con barros sedimentarios.

en T. caerulescensfue 10 veces mayor que en otras plantas.

Suelos enmendados con sedimentos.

El contenido de B extraiblepor agua se redujo entre 24% y 52%, y el de Se seredujo entre 13% y 48% por todas las especies.

Remocin de U de aguas subterrneas

Mtodoa

FE-FEAQ

FE-FEC

FE-FEC

FE-FECFV

RF

UbicacinTrenton, N.J.

Beltsville, Md.

Rothamstead, U.K.

Los Baos, California

Asthabula, Ohio

PlantaBrassica juncea

Thlapsi caerulescensSilene vulgaris

Brassica oleraceaRaphanus sativus

Thlapsi caerulescensAlyssum lesbiacum

Alyssum muraleArabidopsis thaliana

Brassica junceaFestuca arundinaceaHibiscus cannabinusLotus corniculatus

Helianthus annus

MetalPb

CdZn

ZnCdNiCuPbCrSeB

U

Contaminantes orgnicos:No existen generalmente transportadores especficos en la planta. Se mueven por difusin en los tejidos vegetales, segn sus propiedades qumicas. La hidrofobicidad les permite atravesar fcilmente la bicapa lipdica pero se mueven con dificultad por los fluidos celulares.

Contaminantes inorgnicos:Incorporados por procesos biolgicos mediante transportadores de membrana, preexistentes porque son nutrientes o similares a ellos (arsenato y selenato son incorporados por transportadores de fosfato). Por ello, su captacin es saturable.

Los contaminantes inorgnicos causan en general toxicidad . por daos en la estructura celular (estrs oxidativo por su . actividad redox) y reemplazan a otros nutrientes esenciales.

Los contaminantes orgnicos suelen ser menos txicos: no . tienden a acumularse a altos niveles y son menos reactivos.

En los suelos con mezcla de ambos contaminantes, el . crecimiento vegetal y la posibilidad de fitorremediacin son . ms limitados

Caractersticas del contaminante que afectan la captacin por la planta

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Fitorremediacin

La biodisponibilidad depende de:

Las propiedades qumicas del contaminante (hidrofobicidad. y volatilidad):Las molculas con extrema hidrofobicidad (PCBs, PAHs, hidrocarburos) se unen fuertemente a la materia orgnica y no se disuelven en el agua (contaminantes recalcitrantes).

Los contaminantes no voltiles son fitodegradados o secuestrados, mientras que los voltiles pueden liberarse a la atmsfera sin transformaciones.

Las propiedades del suelo:Los arcillosos (partculas pequeas) retienen ms agua que los arenosos y tienen ms sitios de unin para iones (cationes), al igual que los de mayor concentracin de materia orgnica (humus). stos pueden unir mayor cantidad de contaminantes hidrofbicos. La biodisponibilidad de los contaminantes inicos est afectada por el pH del suelo (pH cido, aumenta la biodisponibilidad de cationes)

Las condiciones medioambientales:

La temperatura y la humedad afectan la biodisponibilidad (por ejemplo, aumentando la migracin de contaminantes disueltos en agua)

Factores fsicos y qumicos que afectan la biodisponibilidad del contaminante

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Interacciones planta-microorganismo:- La liberacin de fotosintatos por la planta aumenta la poblacin . microbiana capaz de remediar.

- La liberacin de metabolitos secundarios de la planta puede activar . la expresin de genes relacionados a la degradacin de . contaminantes en los microorganismos o actuar como co-metabolitos . para la degradacin por los microorganismos.

La biodisponibilidad es modificada por liberacin de:

Biosurfactantes (ramnolpidos) liberados por bacterias que aumentan . disponibilidad de compuestos hidrofbicos Exhudados vegetales con compuestos que pueden promover la sntesis . de biosurfactantes por las bacterias Enzimas (vegetales y bacterianas) que modifican las cadenas laterales de . algunos compuestos orgnicos aumentando su biodisponibilidad. Quelantes por plantas y bacterias (siderforos, cidos orgnicos y . fenlicos) que aumentan disponibilidad de metales. Secrecin de H+ por las plantas que acidifican el suelo. Enzimas que convierten los metales a formas menos txicas o ms . biodisponibles (por ejemplo, Cr VI a Cr III)

Factores biolgicos que afectan la biodisponibilidad del contaminante

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Fitorremediacin.

Procesos que requieren aumentar los conocimientos para aumentar la eficiencia de la fitorremediacin:

Interacciones planta-microorganismo y otros procesos . rizosfricos

Captacin por la planta

Mecanismos de traslocacin

Mecanismos de tolerancia (compartimentalizacin, . degradacin)

Quelantes vegetales involucrados en transporte y . almacenamiento

Movimiento de los contaminantes en los ecosistemas . va el sistema suelo-agua-planta hacia niveles trficos . superiores

Aspectos que requieren de mayor investigacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Agrobiotecnologa

Tipos de fitorremediacin

Fitorremediacin

Las bases conceptuales de la fitorremediacin se apoyan en los mecanismospresentes en plantas que hiperacumulanmetales

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Fitorremediacin

Adaptado de: Buchanan et al., Biochemisty and Molecular Biology of Plants, 2000.

Fitoestimulacin

Acumulacin o degradacin en el tejido cosechable

Fitovolatilizacin

FitodegradacinMicroorganismo

que degrada toxinas

Toxina

FitoestabilizacinFitoextraccin

Fitorremediacin

FitoextraccinLas plantas se usan para concentrar metales en las partes cosechables (principalmente, la parte area).

RizofiltracinLas races de las plantas se usan para adsorber, precipitar y concentrar metales pesados a partir de efluentes lquidos contaminados.

FitoestimulacinSe usan los exudados radiculares para promover el desarrollo de microorganismos degradativos (bacterias y hongos).

FitoestabilizacinLas plantas tolerantes a metales se usan para reducir la movilidad de los mismos y evitar el pasaje a napas subterrneas o al aire.

Fitotransformacin- Fitodegradacin: Las plantas acuticas y terrestres captan, almacenan y degradan compuestos orgnicos para dar subproductos no txicos o menos txicos.- Fitovolatilizacin: Las plantas captan y modifican metales pesados o compuestos orgnicos y los liberan a la atmsferamediante la transpiracin.

Tipos de fitorremediacin

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Fitorremediacin

Fitoextraccin:Usada principalmente para remediar metales y otros txicos inorgnicos .

. (Se, As, radionucletidos).

Rizofiltracin:Tcnica relativamente cara de implementar, siendo til para cantidades

. pequeas de aguas residuales conteniendo compuestos inorgnicos

. peligrosos (radionucletidos). Los humedales artificiales se utilizan para

. una amplia gama de contaminantes inorgnicos (metales, percloratos, cianuro,

. nitratos y fosfatos) y contaminantes orgnicos (explosivos y herbicidas).

Fitoestimulacin:Es usado para remediar contaminantes orgnicos hidrofbicos que no pueden

. ser incorporados por la planta pero que pueden ser degradados por los

. microorganismos (PCBs, PAHs e hidrocarburos derivados del petrleo).

Las diferentes estrategias de fitorremediacin son adecuadas para distintos contaminantes

Fitoestabilizacin:Este tcnica es usada cuando se plantan coberturas vegetales en sitios

. conteniendo contaminantes orgnicos o inorgnicos; o cuando se usan

. rboles como barreras hidrulicas para permitir el filtrado de contaminantes

. orgnicos e inorgnicos.

Fitodegradacin:Es til para compuestos orgnicos que se movilizan dentro de la planta,

. (herbicidas, TNT, MTBE y TCE).

Fitovolatilizacin:Puede utilizarse para compuestos orgnicos con formas voltiles (TCE y

. MTBE) y para algunos compuestos inorgnicos que pueden existir en forma

. voltil (Se y Hg).

Las diferentes estrategias de fitorremediacin son adecuadas para distintos contaminantes

Fitoextraccin Se utiliza para el tratamiento de contaminaciones con metales (Cd2+, Co2+, Cr2+, Ni2+, Hg2+, Pb2+, Se2+, Zn2+). Caractersticas deseables en la planta:

- Debe tolerar y acumular altas concentraciones de metalesen las partes cosechables

- Debe tener una alta tasa de crecimiento - Debe producir un gran volumen de biomasa

4258 16820.574 429559 12175 16Cd2+ (5)1ThlapsiBrassicaThlapsiBrassicaMetal

RacesTallos

8.425 422011.475 1252.739 383587 115Ni2+ (1)8.545 42205.486 39389 1580 8Cr2+ (0,4)

60.716 2151055.809 9221623 265159 32Cu2+ (1)

2.990 14241.816 1739770 32049 31Zn2+ (3)7.011 36161.432 140929 233 1Pb2+ (5)

Coeficiente de bioacumulacin DE

1 Concentracin inicial del metal en solucin (mg/L)

Coeficiente de bioacumulacin: relacin entre la acumulacin en el tejido (g/g de peso seco) y concentracin en solucin (mg/L) o en suelo.

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin Tomado de: Salt et al., Biotechnology 1995.

Plantas tpicas empleadas en fitoextraccin:

Hiperacumuladores:

- Girasol (Helianthus annuus)- Mostaza de la India (Brassica juncea)- Nabos (Brassica napus; B. rapa)- Cebada (Hordeum vulgare)- Lpulo (Humulus lupulus)- Ortigas (Urtica dioica; U. urens), - Diente de Len (Taraxacum officinale)

- Thlapsi caerulescens- Brassica juncea- Pelargonium spp..- Allysum lesbiacum

Fitoextraccin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Los metales en el suelo pueden estaren distintas formas:

Como iones o complejos insolubles Adsorbidos a constituyentes inorgnicos del suelo o unidos

a sitios de intercambio Unidos a molculas orgnicas Como compuestos o precipitados insolubles

(xidos, carbonatos, hidrxidos) Integrados a la estructura de los silicatos

Formas de incrementar la biodisponibilidad:

Agregado de quelantes de metales Establecimiento de un pH moderadamente cido Disolucin de surfactantes para contaminantes hidrofbicos Agregado de microorganismos

Fitoextraccin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Esquema de fitoextraccin continua y asistida por quelantes

Concentracin de Pb2+ en tallos de Brassica juncea en un suelo contaminado con plomo (600 mg/kg de suelo) tratado con EDTA.

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Fitorremediacin

Adaptado de: D. E. Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998.

Tomado de: McCutcheon, PBI Bulletin 1998.

Fase de crecimiento Cosecha

Fase de captacinde metal

Fase de captacinde metal

Fase de crecimiento Cosecha

Aplicacindel quelante

La lnea slida naranja ( ) representa la concentracin de metal en la biomasa, la lnea discontinua ( ) representa la biomasa de tallo.

C

o

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c

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r

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2

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(

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)

EDTA aplicado (mmol/kg suelo)

Fitoextraccin continua

Fitoextraccin asistida por quelantes

Acumulacin de metalesy toleranciaa manganesoen plantasde tabacoque expresanel gen cax2de Arabidopsis

El transporte de metales desde el citosol a la vacuola es un componente importante para la tolerancia a metales en las plantas.

El intercambiador de Ca2+ CAX2 (Calcium Exchanger 2) de Arabidopsises un regulador clave de este proceso.

La expresin del gen cax2 en clulas de Saccharomyces cereviciaesuprime defectos en el crecimiento debidos a excesos de Ca2+ y Mn2+.

Se transformaron plantas de tabaco con el gen cax2 dirigido por el promotor de 35S de CaMV. La secuencia se introdujo tambin en antisentido para usar esta construccin como un control interno.

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Ensayo de tolerancia a Mn2+en cepas de Saccharomycescereviciae que expresan el intercambiador CAX2.

Control: cepa salvaje de S. cereviciaecnb: cepa de S. cereviciae mutada en el gen de calcineurina (suceptibilidad a Mn2+) Vector: cepas transformadas con el vector vaco CAX2: cepas transformadas con el gen cax2

Vector ControlCAX2 Control Vector cnbCAX2 cnb

Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol. 2000.

Las plantas de tabaco que expresan CAX2 acumularon ms Ca2+, Cd2+ y Mn2+ y fueron ms tolerantes a niveles elevados de Mn2+.

Concentracin de iones en las races (izquierda) y en los tallos (derecha) de plantas transgnicas. Vector: controles transformados con el vector vaco. C-14: lnea transformada con el gen cax2. Los ensayos se realizaron complementando el medio con 10 mM Cl2Ca, 0,1 M Cl2Cd 0,1 mM Cl2Mn.

Captacin de iones en vacuola de clulas de races de plantas que expresan el gen cax2. A: transporte de Cd2+; 10 M total Cd2+. B: transporte de Mn2+; 100 M total Mn2+. C: transporte de Ca2+; 10 M total Ca2+.

Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000. Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000.

Acumulacin de metalesy toleranciaa manganesoen plantasde tabacoque expresanel gen cax2de Arabidopsis

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Vector CAX2

g

/

g

p

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ControlC-21C-14

Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000.

AT

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)

Tiempo (min)Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000.

B

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Tiempo (min)

Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000.

C

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)

Tiempo (min)

Las plantas acuticas emplean dos mecanismos para separar metales y otros contaminantes (incluyendo radioistopos) de aguas polucionadas:- Reaccin superficial rpida independiente del metabolismo:

proceso de difusin que finaliza cuando los iones metlicos solubles se unen o adsorben a la pared celular. Puede removercantidades significativas en minutos.

- Reaccin de incorporacin intracelular lenta dependiente del metabolismo: proceso de transferencia desde la pared celular al interior de la clula. Demanda horas o das.

Lemna minor Microspora

Remocinde metales utilizando algas y plantas acuticas

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Tomado de: Axtell et al., Bioresource Technology, 2003.

Remocinde metales utilizando Lemna minor

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Tiempo (h)

C

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Tiempo (h)

0,0 mg/L Pb 2+

5,0 mg/L Pb 2+

10,0 mg/L Pb 2+

Modelo

0,0 mg/L Pb 2+

5,0 mg/L Pb 2+

10,0 mg/L Pb 2+

Modelo

0,0 mg/L Ni2+

2,5 mg/L Ni2+

5,0 mg/L Ni2+

Modelo

0,0 mg/L Ni2+

2,5 mg/L Ni2+

5,0 mg/L Ni2+

Modelo

Concentracin inicialde Ni2+ : 5 mg/L

Concentracin inicialde Pb2+ : 10 mg/L

Rizofiltracin Se emplea en el tratamiento de contaminaciones por:

- Metales (Pb2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Cu2+)- Radioistopos (137Cd, 90Sr, U)- Compuestos orgnicos hidroflicos

Caractersticas deseables en la planta:

- Debe tener races de crecimiento rpido y ramificacin abundante.- Debe poder remover metales txicos por perodos prolongados.- No debe ser un translocador eficiente al tallo.

La remocin tiene distintos componentes:

- Componente rpido: combinacin de procesos fsicos y qumicos (quelacin, intercambio inico, adsorcin); puede ocurrir en races muertas.

- Componentes intermedios: Incluyen captura intracelular, deposicin en la vacuola y translocacin a los tallos.

- Componente lento: precipitacin mediada por la raz; involucra exudados de la raz.

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Las plantas acuticas son buenos candidatos para encarar procesos de rizofiltracin

Rizofiltracin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Flujo vertical

Capas de

arena y

grava Eflujo

Scirpusvalidus

Esquema de rizofiltracin basado en Scirpus validus

-

- Scirpus validus- Typha latifolia- Ceratophyllum demersum- Potamogeton pectinatus- Maranta arundinaceae- Lemna spp

Plantas acuticas emergentes: Plantas acuticas sumergentes:- Algas- Chara vulgaris- Myriophyllum aquaticum- Myriophyllum spicatum- Hydrilla verticillata

Rizofiltracinde uranio usando cultivos de races de Brassica junceay Chenopodiumamaranticolor

Agrobacterium rhizogenes es capaz de transformar races y provocar el sobrecrecimiento de las mismas.

Tejido radicular de Brassica juncea y de Chenopodiumamaranticolor.

Se utilizaron races transformadas de ambas especies para remover U de soluciones con baja concentracin.

Tasa de acumulacin de U en races de Brassica juncea y de Chenopodiumamaranticolor. Los valores se expresan como g U/g tejido seco.

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Tomado de: Eapen et al., Environmental Research, 2003.

Concentracin de U (M)

C. amaranticolor

g

U

/

g

t

e

j

i

d

o

s

e

c

o

g

U

/

g

t

e

j

i

d

o

s

e

c

o

B. juncea


C. amaranticolorB. juncea

Se utilizaron races transformadas de ambas especies para remover U de soluciones con alta concentracin.

Para todas las concentraciones utilizadas, el 90% del U fue absorbido por las races dentro de las 10 hde tratamiento.

Tasa de acumulacin de U en races de Brassica juncea y de Chenopodium amaranticolor.Los valores se expresancomo g U/g tejido seco.

Las races transformadas de ambas especies podran usarse como bioabsorbentes de uranio, para lo cual podran producirse a gran escala en biorreactores.

Tomado de: Eapen et al., Environmental Research, 2003.

Rizofiltracinde uranio usando cultivos de races de Brassica junceay Chenopodiumamaranticolor

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

B. junceaC. amaranticolor


g

U

/

g

D

.

w

.

t

.

(

X

1

0

3

)

Empleada en tratamientos de contaminacin por: Herbicidas (atrazina, alaclor) Aromticos (BTEX: benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos) Alifticos clorinados (TCE: tricloroetileno; tetracloroetileno) Deshechos de nutrientes (NO3-, NH4+, PO43-) Deshechos explosivos (TNT; RDX: hexahidrotrinitrotriazina)

Depende de: Concentracin del compuesto disuelto en el suelo

Eficiencia de captura, que depende de:- las propiedades fsico-qumicas del compuesto- especie qumica- propiedades de la especie vegetal

Tasa de transpiracin, que depende de:- el tipo de planta- rea foliar- nutrientes- humedad del suelo- temperatura- viento- humedad relativa

Fitotransformacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

La fitotransformacin comprende los procesos de fitodegradacin y fitovolatilizacin

- Almacenamiento del producto (o de sus productos de .degradacin) va conjugacin o lignificacin

- Metabolizacin a distintos productos de degradacin- Volatilizacin por la transpiracin- Mineralizacin (CO2 + H2O)

Plantas tpicas empleadas en fitotransformacin:- Arboles freatfitos (lamo, sauce, lamo americano)- Pasturas (centeno, sorgo, festuca)- Leguminosas (trbol, alfalfa, caup)

Fitotransformacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Una vez translocado, el compuesto puede tener los siguientes destinos:

Fitodegradacin de compuestos orgnicos

Las plantas pueden desarrollar una serie de reacciones para metabolizar o mineralizar compuestos orgnicos

Completan la degradacin del TNT. Aparentemente involucradas en la incorporacin de fragmentos de anillos aromticos en la biomasa vegetal

Intervienen en la lignificacin y delignificacin por adicin de oxgeno

Lacasas

Procesan grupos cianidados de los anillos aromticos en herbicidas y otros compuestos cianidados

Detoxifican compuestos aromticos cianamidados naturales

Nitrilasas

Deshalogenan solventes clorinadosEstn vinculadas a la degradacin de subproductos de etileno durante la senescencia

Deshalogenasas

Empleadas en el tratamiento de aguas residuales para degradar fenoles

Degradan en forma no especfica compuestos fenlicos, lignina, y otros

Peroxidasas

Procesan grupos fosfato de pesticidas organofosfatados y de compuestos que afectan el sistema nervioso

Su rol es el procesamiento de fosfato durante el desarrollo

Fosfatasas

Reducen grupos nitrato en explosivos y otros compuestos nitroaromticos y remueven el nitrgeno del anillo aromtico

Su funcin es la reduccin de nitrato para obtener nitrgeno destinado al crecimiento celular

NitroreductasasAplicaciones en fitorremediacinRol naturalEnzimas

Tomado de: McCutcheon, PBI Bulletin, 1998.

Las tcnicas tradicionales se basan en la . incineracin o en utilizacin de microorganismos . e implican remocin del suelo

La alternativa frente a las tcnicas tradicionales fue . usar sistemas de fitorremediacin:

- Cultivos celulares de remolacha que degradan nitroglicerina (GNT)

- Plantas acuticas y cultivos de races que biotransforman. trinitroglicerina (TNT)

El xito fue limitado, ya que la GNT slo pudo ser . denitrificado a di- y mononitroglicerol; la remocin . completa de grupos nitratos no se logr nunca.

Adems, la degradacin de TNT produjo la . acumulacin de otra toxina: aminodinitrotolueno.

Otra desventaja es que las plantas captan y . metabolizan los compuestos nitrogenados 10 veces . ms lentamente que los microorganismos.

Contaminacin con explosivos

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

ADNT: aminodinitrotolueno;DANT: diaminonitrotolueno; TAT: triaminotolueno;TNT: trinitrotolueno

Rutas de degradacindel TNT mediante nitroreductasasy lacasasvegetales

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Tomado de: McCutcheon, PBI Bulletin 1998.

Crecimiento brotes de tabaco no transformado y transgnico(NR 3-2) en medio lquido.

Detoxificacinde TNT por plantas de tabaco transformadas con el gen de nitroreductasade Enterobactercloacae Crecimiento de plantas de tabaco no transformado y transgnicas (NR 3-2)

luego de la germinacin en medio conteniendo explosivos.

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Tomado de: Hannik et al., Nature Biotechnology, 2001.

Sin TNT TNT 0,25 mM

NT NR 3-2 NT NR 3-2

Sin TNT TNT 0,05 mM TNT 0,1 mM

NTNT NR 3-2NR 3-2 NTNT NR 3-2NR 3-2 NTNT NR 3-2NR 3-2

Crecimiento de races para brotes de plantas no transformadas (NT) y transgnicas (NR 3-2) luego de 21 das de exposicin a TNT

Detoxificacin de TNT por plantas de tabaco que expresan el gen de nitroreductasa de Enterobacter cloacae

e.s.= Error estndar Indice de tolerancia = longitud de las races de brotes tratados con TNT/longitud de las races de brotes control x 100

NT NR 3-2

TNT (mM)

Longitud de las races (cm e.s.)

0

0,05

0,1

8,1 0,1

5,5 0,6

0,2 3

68

100

Indice de tolerancia de las races (%)

8,1 0,1

6,2 0,9

5,5 0,9 68

77

100

Longitud de las races (cm e.s.)

Indice de tolerancia de las races (%)


Estudios de toxicidad de TNT en plantas no transformadas (NT) y transgnicas (NR 3-2)

Detoxificacin de TNT por plantas de tabaco que expresan el gen de nitroreductasa de Enterobacter cloacae


NT NR 3-2

TNT (mM)

Peso antes del TNT (g)

Peso despus del TNT (g)

Ganancia / prdida de peso (g)

0

0,1

0,25

11,37 0,17

11,2 0,14

11,59 0,01 7,59 0,19

11,3 0,02

-4,00 0,21

+0,13 0,15

+5,52 0,4516,9 0,28

Peso antes del TNT (g)

Peso despus del TNT (g)

Ganancia / prdida de peso (g)

11,08 0,05

11,4 0,95

11,93 0,18 13,95 1,20

14,65 0,07

-2,02 1,01

+3,24 0,88

+5,79 0,2316,88 0,18

Detoxificacin de RDX por plantas de Arabidopsis que expresan el gen XlpA de Rhodococcus rhodocochrous

El explosivo hexahidro 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazina (RDX) es txico para todo tipo . de organismos y un posible carcingeno. Su degradacin ambiental es muy lenta . y su presencia en suelos y napas de agua constituye un problema grave. El RDX es txico para las plantas. El hongo Phanerochaete chrysosporium y las . bacterias del gnero Rhodococcus son capaces de degradar RDX, pero no . desarrollan suficiente biomasa para ser utilizados en procesos de biodegradacin. La molcula responsable de la degradacin es un citocromo P450. Como prueba . de concepto, se aisl el gen de citocromo P450 XplA de Rhodococcus. rhodocochrous y se lo expres en plantas de Arabidopsis thaliana. Las plantas .. fueron utilizadas en ensayos de detoxificacin de suelos contaminados con RDX.

Tomado de: Rylott et al., Nature Biotechnology, 2006.

Ruta de degradacin de RDX por el citocromo P450 codificado por el gen XplA de R. rhodocochrous y ensayos de actividad realizados con protena expresada en E. coli. Los controles fueron realizados con protena sometida a 100oC.

4-nitro-2,4-diazabutanal


Caracterizacin de plantas transgnicas que expresan el gen XplA

a) Anlisis de Northern y Western blot de lneas de A. thaliana que expresan el gen XplA en forma constitutiva. b) Captacin de RDX de medio acuoso por plntulas de A. thaliana. Los resultados son el promedio de repeticiones de cinco experimentos.



Estudios en suelos contaminados con RDX empleando plantas wild type y transformadas con 35S::XPLA. Se cultivaron plantas de A. thaliana de 8 semanas de edad en suelo conteniendo

50, 250, 500 y 2000 mg de RDX/Kg de suelo. Se muestran las mediciones de biomasa (tallos y races) obtenidos en las diferentes condiciones experimentales (promedio de cinco ensayos).


Principales interconversiones del mercurio en el medio ambienteEl ciclo biogeoqumico del mercurio y de la biomagnificacinde metilmercurio

Agrobiotecnologa

FitorremediacinHg(0): mercurio elementalHg(II): mercurio inico libreRSHg: mercurio unido a azufreMeHg: metilmercurio

No se conocen plantas capaces de detoxificar Hg.

En cambio, existen microorganismos presentes en los sitios contaminados que poseen dos enzimas (organomercricoliasa, gen merB, y mercrico reductasa, gen merA) que permiten convertir metilmercurio en Hg elemental, detoxificado este metal.

Se transformaron plantas de Arabidopsis thaliana con los dos genes mencionados aislados de Desulfovibrio desulfuricans.

Expresinde los genes merA y mer Bde Desulfovibriodesulfuricansen plantas transgnicasde Arabidopsis thaliana

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

R-CH2-Hg+ + H+ R-CH3 + Hg(II)MerB

Hg(II) + NADPH Hg(0) + NAD+ + H+MerA

R-CH2-Hg+ + H+ R-CH3 + Hg(II)MerB

Hg(II) + NADPH Hg(0) + NAD+ + H+MerA

MerB: organomercrico liasaMerA: mercrico reductasa

Plantas NT y transgnicas creciendo en medios con mercurio orgnico.

Tasas de volatilizacin de Hg(0)en plantas control y en 6 lneas transgnicas de A. thaliana

0 M 1 M 5 M 10 M

merB merA/B-1 merA NT merB merA/B-1 merA NT merB merA/B-1 merA NT merB merA/B-1 merA NT

Tomado de: Bizily et al., Nature Biotechnology, 2000.

Fenotipos de resistencia a mercurio orgnico de plantas control y de 3 lneas transgnicas para merA/merB

p

g

H

g

(

0

)

.

m

i

n

-

1

/

m

g

d

e

t

e

j

i

d

o

Lneas de plantas

Expresinde los genes merA y mer Bde Desulfovibriodesulfuricansen plantas transgnicasde Arabidopsis thaliana

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

0 M PMA 5 M PMA

NT A/B-1 A/B-2 A/B-3A/B-1 A/B-2 A/B-3

A/B-4 A/B-5 A/B-6 A/B-4 A/B-5 A/B-6

NT

Fitorremediacin de organomercurialesva transformacin de cloroplastos (genes merAy mer B de Desulfovibriodesulfuricans) Efecto de la concentracin de acetato de fenilmercurio en el crecimiento de plantas de tabaco controles (NT) y transgnicas (5A y 9)

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Tomado de: Ruiz et al., Plant Physiol., 2003.

Co

nce

ntracin

de PM

ANT 5A 9

Se transformaron cloroplastos de tabaco con dos versiones de esta construccin con y sin regin 3 no traductible (3 UTR) portando el opern MerAB

16S trnI aadAaadA merBmerB trnA

P 3UTR

merA

Aumento de la acumulaciny tolerancia a selenio en plantas transgnicasde Arabidopsisque expresanla enzima selenocistena liasa I de ratn

La toxicidad del selenio (Se) se debe a la . incorporacin inespecfica de selenocistena . (Se-Cys) a las protenas.

Estrategia:Expresar el gen de la selonocistena liasa de ratnen citoplasma y cloroplastos de Arabidopsis thaliana

Se-Cys Se elemental + alaninaSe-Cys liasaAgrobiotecnologa

Fitorremediacin

Aumento de la acumulaciny tolerancia a selenio en plantas transgnicas de Arabidopsisthaliana

Incorporacin de Se a protenasen brotes de Arabidopsis thaliana no transgnicas (NT) y transgnicas (citoslicas y plastdicas)

Toleranciaa Se-Cys

selenato y selenito de

brotes de Arabidopsis

no transgnicosy transgnicos.

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

cyt SL cp SL

Control

50 M Se-Cys

25 M SeO2-3

50 M SeO2-4

L

a

r

g

o

d

e

r

a

c

e

s

(

m

m

)

Control

50 M Se-Cys

25 M SeO2-3

50 M SeO2-4

Tomado de: Pilon et al., Plant Physiol., 2003. NT

g

S

e

g

p

r

o

t

e

i

n

-

1

cit SL cp SL

g

S

e

g

p

r

o

t

e

i

n

-

1

cit SL cp SLNT

Las plantas proveen el hbitat para el incrementoen el tamao y actividad de poblaciones microbianas.

Los exudados vegetales estimulan lastransformaciones efectuadas por las bacterias (induccin enzimtica).

La sntesis de carbn orgnico aumenta la tasade mineralizacin microbiana (enriquecimiento de sustrato).

El oxgeno que difunde con las races asegura un medio adecuado para las transformaciones

. aerbicas.

Los hongos micorrticos asociados a las races vegetales metabolizan contaminantes orgnicos.

Fitoestimulacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Empleado en el tratamiento de contaminacin orgnica causada por pesticidas (atrazina), compuestos

. aromticos, e hidrocarburos aromticos policclicos

. (PAHs)

Se basa en la liberacin por la planta de exudados entre los que se incluyen:

- cidos orgnicos de cadena corta- compuestos fenlicos- bajas concentraciones de enzimas y pptidos

Plantas tpicas empleadas en fitoestimulacin:

- Liberadoras de compuestos fenlicos (mora, manzano, Maclura pomfera)

- Pastos con races fibrosas (centeno, festuca)para contaminantes hasta 1 metro de profundidad

- Arboles freatfitos para contaminantes hasta 3 metros de profundidad

- Plantas acuticas para sedimentos

Fitoestimulacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

Empleada en el tratamiento de contaminacin por:

- Metales (Pb2+, Cd2+, Zn2+, As2+, Cu2+, Se2+, U)- Compuestos orgnicos hidrofbicos: hidrocarbonos

aromticos policiclcos (PAHs), bifenilospoliclorados (PCBs), dioxinas, furanos, pentaclorofenol, DDT, dieldrina

Caractersticas deseables en la planta:- Debe tolerar altos niveles de metales txicos- Debe inmovilizar los metales va captura

y posterior precipitacin y reduccin- Debe acumular bajas concentraciones en las

races

Plantas tpicas empleadas en fitoestabilizacin:- Arboles freatrfitos que transpiren grandes

volmenes de H2O- Pastos con races fibrosas que estabilicen

la erosin del suelo- Plantas con sistemas radiculares robustos

capaces de absorber/unir contaminantes

Fitoestabilizacin

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

1. Pilon-Smits. Phytorremediation. Annual Review of Plant Biology, 56:15-39. 2005.

2. Eapen and DSouza. Prospects of genetic engineering of plants for phytoremediation of toxic metals. Advances in Biotechnology, 23:97-114, 2005.

3. Mejre, M. and Bulow, L. Metal binding proteins and peptides in bioremediation and phytoremediation of heavy metals. Trends in Biotechnology, 19:67-73, 2001.

4. Kovalchuk, O., Titov, V. Hohn, B. and Kovalchuk, I. A sensitive trangenic plant system to detect toxic inorganic compounds in the environment. Nature Biotechnology, 19:568-572, 2001.

5. Salt, D. E., Smith, R.D., and Raskin I. Phytoremediation. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 49:643-668, 1998.

6. http://www.hawaii.edu/abrp/Technologies

7. http://www.envirotools.org/factsheets/phytoremediation.shtml

Referencias

Agrobiotecnologa

Fitorremediacin

2011_17 Fitorremediacion

Documents

Transcript of 2011_17 Fitorremediacion