Download Diapositiva 1 - FBMC - Universidad de Buenos Aires

AGROBIOTECNOLOGIA
CURSO 2016
FITORREMEDIACIÓN
María Patricia Benavides
Departamento de Química Biológica
Facultad de Farmacia y Bioquímica.
Universidad de Buenos Aires
IQUIFIB. CONICET
[email protected]
-
Biorremediación
 El término biorremediación se utiliza
para describir una variedad de
sistemas que utilizan organismos vivos
(plantas, hongos, bacterias, etc.) para
degradar, transformar o remover
compuestos inorgánicos u orgánicos
tóxicos y transformarlos en
productos metabólicos inocuos o
menos tóxicos
Biorremediación
Compuesto Contaminante (tóxico)
Bacterias
Hongos
Biodegradación
Sistema biológico
Plantas
FITORREMEDIACION
CO2 + H2O Compuestos no tóxicos
Naturaleza interdisciplinaria de la investigación en
fitoremediación
Chemosphere 91 (2013) 869–881
Fitorremediación: Definición y
aplicaciones
 La fitorremediación es el uso de plantas,
algas y los microorganismos asociados
para remover contaminantes del
ambiente (suelo, agua, aire) y/o para
dejar el ambiente limpio
 La fitorremediación puede aplicarse a
contaminantes orgánicos e inorgánicos,
presentes en sustratos sólidos como el
suelo o líquidos como el agua
Ej: solventes clorados
Ej: CFCs, CCl4
(Swoboda-Colbert (1995), Microbial transformation and degradation of toxic Organic chemicals, Chapter 2. pgs 27-74. Wiley-Liss.)
Ej: Pesticidas solubles en agua
en climas desérticos
No
Ej: ác. clorobenzoicos
Ej: Muchos Pesticidas
Ej: DDT, PCBs
Ej: PAHs, asfaltenos
La fitorremediación permite detoxificar
distintos sustratos
 • Sustratos sólidos (suelos y sedimentos):
- Lugares de prácticas militares (TNT, metales, orgánicos)
- campos agrícolas (herbicidas, pesticidas, metales, selenio)
- predios industriales (orgánicos, metales, arsénico)
- minas (metales)
-sitios aledaños a pozos de petróleo (HC)
- lugares dedicados al tratamiento de maderas (hidrocarburos aromáticos
policíclicos; PAHs)

• Sustratos líquidos
- aguas residuales (nutrientes, metales)
- drenajes de aguas de riego agrícola (nutrientes, fertilizantes, metales,
arsénico, selenio, boro, pesticidas orgánicos y herbicidas)
- efluentes industriales (metales, selenio)
- efluentes de minería (metales)

•Sustratos gaseosos
- aire libre e interior (óxidos de nitrógeno, SO2, ozono, CO2,
gases
neurotóxicos, partículas de hollín, e hidrocarburos halogenados volátiles)
Annu. Rev. Plant Biol.2005. 56:15–39
Contaminantes orgánicos
 • Son de origen antropogénico:
- industria petroquímica (derrames de combustibles y solventes)
- actividades militares (explosivos y armas químicas)
- agricultura (pesticidas, herbicidas)
- industria química (efluentes)
- industria forestal y maderera (efluentes)
 • Dependiendo de sus propiedades, pueden ser:
- degradados en la zona radicular
- incorporados a la planta: captación, secuestro, volatilización
 • Ejemplos de descontaminaciones exitosas
Solventes orgánicos, herbicidas, explosivos, hidrocarburos
derivados del petróleo, bifenilos policlorinados (PCBs),
tricloroetileno (TCE), hidrocarburos aromáticos policíclicos
(PAHs).
Annu. Rev. Plant Biol.2005. 56:15–39
Caso Exxon Valdez
Marzo 1989
Prince Williams, Alaska
40 millones de litros de petróleo
2000 km de costas afectadas
Dispersantes
químicos
Limpieza mecánica
Quema
Biorremediación
Contaminantes inorgánicos
 Pueden
ser elementos naturales presentes en la corteza
terrestre y/o en la atmósfera, o resultado de
actividades humanas
- minería
- industria
- transporte
- agricultura
- actividades militares

• No pueden ser degradados, pero pueden ser
fitoestabilizados o secuestrados en la parte cosechable
de la planta.

• Ejemplos de descontaminaciones exitosas
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 isótopos radioactivos (238U, 137Cs y 90Sr), entre otros.
Annu. Rev. Plant Biol.2005. 56:15–39
Formas tradicionales de remediar
 Pueden realizarse “in situ” o “ex situ”
 En general son técnicas de: extracción,
físicas, químicas y biológicas
 Las técnicas de extracción las más conocidas
son: (i) “Soil Washing” o lavado de suelos, (ii)
“Soil Vacuum” o aplicación de vacío a suelos y
(iii) “Soil Venting” o ventilación de suelos.
 Las técnicas físicas incluyen la fijación y/o el
encapsulamiento. En general, su objetivo es
almacenar e inmovilizar los contaminantes
Formas tradicionales de remediar
 Las técnicas químicas más frecuentes son
por oxidación y deshalogenación
 Electrocinética para mover el contaminante
como una partícula con carga
 Vitrificación donde la matriz es derretida y
convertida en un material cristalino
 Redox químico para convertir el
contaminante en menos móvil o más estable
Desventajas
Alto costo
Elevado gasto de energía
Destrucción del suelo
Logística
Falta de aceptación del público
Método biológico: Fitorremediación
Ventajas
 Las plantas pueden ser utilizadas como bombas
extractoras de bajo costo para depurar suelos y aguas
contaminadas (costo 7-10 veces menor respecto de
los métodos tradicionales)
 Las plantas emplean energía solar.
 El tratamiento es in situ.
 Algunos procesos degradativos ocurren en forma
más rápida con plantas que con microorganismos.
 Es un método apropiado para descontaminar
superficies grandes o para finalizar la
descontaminación de áreas restringidas en plazos
largos.
 Es una metodología con buena aceptación pública.
Annu. Rev. Plant Biol.2005. 56:15–39
Fitorremediación. Limitaciones
 El proceso se limita a la profundidad de penetración







de las raíces o a aguas poco profundas.
La fitotoxicidad es un limitante en áreas fuertemente
contaminadas. La concentración del contaminante
debe estar dentro de los límites de tolerancia de la
planta
Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados.
La biodisponibilidad de los compuestos o metales es
un factor limitante de la captación.
Los compuestos remediados son contaminantes
potenciales de la cadena alimentaria y napas de agua.
Falta conocimiento de la naturaleza de los productos
de degradación (fitodegradación).
Riesgo de lixiviación
Falta elaborar el marco regulatorio detallado.
Annu. Rev. Plant Biol.2005. 56:15–39
Características del contaminante que afectan
la captación por la planta
 • Contaminantes orgánicos
o
No existen generalmente transportadores específicos en la planta. Se mueven por
difusión en los tejidos vegetales, según sus propiedades químicas.
La hidrofobicidad les permite atravesar fácilmente la bicapa lipídica pero se
mueven con dificultad por los fluidos celulares (xilema)
Los contaminantes orgánicos suelen ser menos tóxicos: no tienden a acumularse a
altos niveles y son menos reactivos
 • Contaminantes inorgánicos
o
Son incorporados por procesos biológicos mediante transportadores de membrana,
preexistentes porque son nutrientes o similares a ellos (arsenato y selenato son
incorporados por transportadores de fosfato). Por ello, su captación es saturable
o
Los contaminantes inorgánicos causan en general toxicidad por daños en la
estructura celular (estrés oxidativo por su actividad redox) y reemplazan a otros
nutrientes esenciales.
o
En los suelos con mezcla de ambos contaminantes, el crecimiento vegetal y la
posibilidad de fitorremediación son más limitados
Factores físicos y químicos que afectan
la biodisponibilidad del contaminante
 • Las propiedades químicas del contaminante (hidrofobicidad
y volatilidad):
Las moléculas con extrema hidrofobicidad (PCBs, PAHs, hidrocarburos) se unen
fuertemente a la materia orgánica y no se disuelven en el agua (contaminantes
“recalcitrantes”).
Los contaminantes no volátiles son fitodegradados o secuestrados, mientras que los
volátiles pueden liberarse a la atmósfera sin transformaciones
 • Las propiedades del suelo:
Los arcillosos (partículas pequeñas) retienen más agua que los arenosos y tienen más
sitios de unión para iones (cationes), al igual que los de mayor concentración de
materia orgánica (humus).
Éstos pueden unir mayor cantidad de contaminantes hidrofóbicos.
La biodisponibilidad de los contaminantes iónicos está afectada por el pH del suelo (pH
ácido, aumenta la biodisponibilidad de cationes)
 • Las condiciones medioambientales
La temperatura y la humedad afectan la biodisponibilidad (por ejemplo, aumentando la
migración de contaminantes disueltos en agua)
Factores biológicos que afectan la
biodisponibilidad del contaminante
 Interacciones planta-microorganismo:
La liberación de fotosintatos por la planta aumenta la población microbiana capaz de
remediar.
La liberación de metabolitos secundarios de la planta puede activar la expresión de genes
relacionados a la degradación de contaminantes en los microorganismos o actuar como cometabolitos para la degradación por los microorganismos.
 La biodisponibilidad es modificada por liberación de:
• Biosurfactantes: (ramnolípidos) liberados por bacterias que aumentan
. disponibilidad de compuestos hidrofóbicos
• Exudados vegetales: pueden promover la síntesis de biosurfactantes por las bacterias
• Enzimas: (vegetales y bacterianas) que modifican las cadenas laterales de
. algunos compuestos orgánicos aumentando su biodisponibilidad.
que convierten los metales a formas menos tóxicas o más biodisponibles (por ejemplo, Cr VI
a Cr III)
• Quelantes: por plantas y bacterias (sideróforos, ácidos orgánicos y fenólicos) que aumentan
disponibilidad de metales.
• Secreción de H+: por las plantas que acidifican el suelo.
Tipos de fitorremediación
Tomado de: McCutcheon, PBI Bulletin, 1998.
Annu. Rev. Plant Biol.2005. 56:15–39
Tipos de plantas más usadas
 • Freatófitas
- Plantas de raíces profundas
(álamo, sauce).
 • Pasturas
- Por su tipo de raíz retienen el suelo.
 • Leguminosas
- Permiten fijar N2 y enriquecer el suelo en
compuestos nitrogenados
 • Acuáticas
- Son buenas acumuladoras y permiten la
degradación de contaminantes
en humedales artificiales
Plantas usadas para fitorremediar
Azolla pinnata
Festuca rubra
Brassica juncea
Populus
Helianthus
annuus
Lollium
Alyssum bertolonii
Tecnologías de fitorremediación y
sus usos
Usadas
como
filtros
a: rizofiltración
b:wetlands
artificiales
c: control
hidráulico
d: extracción y
estabilización
e: filtración del
aire
Pilon-Smits, Annual Review in Plant Biollogy, 2005
FITORREMEDIACION DE METALES
¿Qué son los metales pesados? (término
considerado inadecuado por la IUPAC)
Se denominan metales pesados a aquellos que tienen una
gravedad específica mayor de 5.0 (o una densidad
mayor de 5 g / cm3), especialmente aquellos que son
tóxicos como el plomo (Pb), mercurio (Hg), cromo (Cr),
cadmio (Cd)
Pueden dañar a los organismos vivos a muy bajas
concentraciones y tienden a acumularse en la cadena
alimentaria
Efectos perjudiciales de metales en la
salud humana
Paracelso: ¿Hay algo que no sea veneno?
“dosis sola facit venenum”
Chemosphere 91 (2013) 869–881
Metales esenciales y no esenciales
 Los metales han cumplido un papel
importante en el curso de la evolución por sus
propiedades químicas
 Esenciales: son necesarios para los organismos
vivos en cantidades mínimas para cumplir
funciones fisiológicas y bioquímicas vitales
(redox, complejos de coordinación, sitio activo
de enzimas). Ej: Fe, Mn, Co, Cu, Zn y Ni
 No esenciales: no son necesarios para los
organimos vivos para ninguna función y son
tóxicos en mínimas concentraciones. Ej: Cd, Pb,
As, Se, Hg y Cr
Fuentes antropogénicas de metales
en el medioambiente
Ali et al. / Chemosphere 91 (2013) 869–881
Rangos de concentración y límites
permitidos de metales y radionucleidos
Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 1998.
Alternativas actuales para remediar
contaminación con metales pesados
• Suelos
 Rellenado de terrenos
 Fijación química e impermeabilización superficial
 Lixiviación y reposición del suelo
• Aguas
 Precipitación o floculación
 Intercambio iónico
 Osmosis inversa
 Microfiltración
Dinámica de la acumulación de metales
• Captación por las raíces
 Movilización de los metales
 Secreción de quelantes (fitosideróforos)
 Unión a proteínas quelantes (fitoquelatinas)
 Acidificación por exudación de H+
• Transporte
 Via apoplástica
 Vía simplástica
 Transporte por proteínas de membrana
 Almacenamiento en raíz o exportación al tallo por xilema
 Transporte por xilema o redistribución por floema
 Almacenamiento en vacuolas
Cómo
viajan los
metales
desde la
raíz a las
hojas
Mecanismos moleculares propuestos involucrados en
la acumulación de metales de transición en plantas
1) Aumentar la
movilización por
secreción de ácidos
orgánicos
2) Aumentar la
expresión de
transportadores
3) Estimular la
captación por la raíz
y la sobreproducción
de quelantes
intracelulares
4) Sobrexpresión de
mecanismos de
mecanismos de
almacenamiento o
detoxificación
TRENDS in Plant Science Vol.7 No.7 , 2002
Los metales (junto con el H2O y
otros nutrientes) son
incorporados a la planta a
través de las raíces
-ingresan a las células y se
distribuyen en los diferentes
compartimentos subcelulares
a través de proteínas
transportadoras
presentes en las membranas.
Mecanismos de tolerancia para polutantes en
plantas
Pilon-Smits, Annu. Rev. Plant
Biol.2005. 56:15–39
Cómo elijo la estrategia de
fiotorremediación
 Dependiendo de la estrategia, puede ser deseable
que el contaminante sea captado por la planta
(fitoextracción) o no ( fitoestabilización)
 Según la elección se elige la especie vegetal y se
diseñan las estrategias agronómicas para
favorecer el mecanismo elegido en el proceso
 Tener en cuenta: crecimiento y forma de las
raíces, riego, fertilización, suministro de
oxígeno
TIPOS DE FITORREMEDIACION
FITOEXTRACCION
Fitoextracción
 Las plantas se usan para concentrar metales en las partes cosechables
(principalmente, la parte aérea).
 Usada principalmente para remediar metales y otros tóxicos inorgánicos
(Se, As, radionucleídos)
 Características deseables en la planta
 Debe tolerar y acumular altas concentraciones de metales en las partes







cosechables
Debe tener una alta tasa de crecimiento
Debe producir un gran volumen de biomasa
Capacidad de traslocación
Sistema radical muy desarrollado
Tolerancia a patógenos y hervíboros
Fácil cultivo y cosecha
Síntesis de quelantes
Estrategias de fitoextracción
Fitoextracción asistida por
quelatos
Fitoextracción continua
Salt et al., Annu. Rev. PlantPhysiol. PlantMol. Biol. 1998.
Cuantificación de la eficiencia de
fitoextracción
 Factor de bioconcentración (BCF): indica la
eficiencia de una especie vegetal de acumular un
metal en sus tejidos desde el ambiente
circundante
BCF= C tejido cosechado/C suelo
 Factor de traslocación (TF): indica la eficiencia
de la planta en traslocar el metal acumulado
desde las raíces a la PA
TF= C parte aérea/C raíces
AF= C tejido vegetal/ C suelo * 100
Los metales en el suelo pueden estar
en distintas formas
 Como iones o complejos insolubles
 Adsorbidos a constituyentes inorgánicos del
suelo o unidos a sitios de intercambio
 Unidos a moléculas orgánicas
 Como compuestos o precipitados insolubles
(óxidos, carbonatos, hidróxidos)
 Integrados a la estructura de los silicatos
Formas de incrementar la
biodisponibilidad
 Agregado de quelantes de metales
 Establecimiento de un pH moderadamente
ácido
 Disolución de surfactantes para
contaminantes hidrofóbicos
 Agregado de microorganismos
 Agregado de nutrientes
Las plantas presentan diferente capacidad para
hacer frente al exceso de metales o a la
presencia de metales no esenciales.
1 Hipotolerante : reseñadas también como hipersensible o sensible a los
metales , y plantas genéticamente modificadas que son más sensibles a uno o varios
metales que la planta silvestre.
2 Tolerante basal: descriptas también como constitutivamente tolerante,
normal o no resistente, es la especie vegetal o ecotipo que puede regular la
distribución del metal a nivel de la célula y de la planta entera de manera que puede
sobrevivir y reproducirse sobre suelos no enriquecidos en el metal. La cantidad de
metal que no daña el cumplimiento del ciclo de vida es específica para dicho metal y
para la especie vegetal o su ecotipo.
3 Hipertolerante: también nombradas metal tolerante, metal resistente o
adaptada a metales, es una especie o ecotipo que puede sobrevivir y reproducirse en
suelos enriquecidos en ciertos metales. Las plantas serán hipertolerantes a esos
metales que se encuentran en niveles altos en su ambiente natural, pero tienen
tolerancia basal al resto de los metales en el ambiente. Es por ello que la categoría de
la tolerancia se describe agregando el metal, por ejemplo Cd/Zn hipertolerante, Cu
hipertolerante, Ni hipertolerante.
Algunas especies vegetales denominadas
HIPERACUMULADORAS son capaces de concentrar
metales de manera activa en sus tejidos.
 se sugiere que la planta es capaz de hiperacumular un metal cuando contiene una
concentración igual o superior al 0,1% de su peso seco para elementos como Ni, Co o Pb, de
forma independiente de la concentración encontrada en el suelo, sin presentar efectos tóxicos.
 para el Zn el límite es mayor del 1%.
 para algunos metales como el Cd una concentración menor (0,01%) la clasifica a la
planta como hiperacumuladora
Umbral de valores aplicados para definir hiperacumulación
JO U R NA L O F P ROT EO M IC S 7 9 ( 2 0 1 3 ) 1 3 3 – 1 4 5
Hiperacumuladoras
 El mayor número de especies hiperacumuladoras
concentran Ni, aunque se han descripto también
para Zn, Cd, As, Mn, Pb y Cu
 Las especies hiperacumuladoras se encuentran
descriptas especialmente en la familia Brassicaceae
 Las 2 especies más estudiadas para la acumulación
de Zn y Cd son Arabidopsis halleri y Noccaea
caerulescens (antiguamente conocida como
Thlaspi caerulescens)
 A. halleri y sus hermanas no hiperacumuladoras y
no tolerantes Arabidopsis lyrata y A. thaliana
divergieron hace 1.5–2 y 3.5–5.8 millones de años,
y comparten identidad de secuencias del 98% y
94% en la región codificante, respectivamente
Current Opinion in Plant Biology 2011, 14:252–259
Especies hiperacumuladoras de
metales
Ali et al. / Chemosphere 91 (2013) 869–881
Esquema de la distribución y acumulación de los metales
en un no-hiperacumulador y en un hiperacumulador
JO U R NA L O F P ROT EO M I C S 7 9 ( 2 0 1 3 ) 1 3 3 – 1 4 5
Estudios de proteómica en plantas
hiperacumuladoras
JO U R NA L O F P ROT EO M I C S 7 9 ( 2 0 1 3 ) 1 3 3 – 1 4 5
JO U R NA L O F P ROT EO M I C S 7 9 ( 2 0 1 3 ) 1 3 3 – 1 4 5
Características fisiológicas de la
hiperacumulación
 1) Captación aumentada del metal por las
raíces
 2) Transporte eficiente del metal en el
simplasto hacia los vasos y secuestro
reducido en vacuolas de las raíces
 3) Transporte aumentado desde la raíz al tallo
 4) Mecanismo eficiente de distribución del
metal y alta capacidad de almacenamiento
en la vacuola de la parte aérea
Current Opinion in Plant Biology 2011, 14:252–259
Hiperacumulación a nivel de tribu en la
familia Brassicaceae
Annu. Rev. Plant Biol. 2010. 61:517–34
Hiperacumulación e hipertolerancia al Zn
en A. halleri y N. caerulescens
Current Opinion in Plant Biology 2011, 14:252–259
Evolución de la hiperacumulación en A.halleri
Annu. Rev. Plant Biol. 2010. 61:517–34
 De acuerdo al modelo, la mayor contribución a
los caracteres génicos asociados a tolerancia e
hiperacumulación se refieren a un aumento en
la función de genes ZIP en la captación del
metal, del gen HMA4 que es una P-type
ATPasa, en carga y descarga del xilema y de
MPT1 en el almacenamiento vacuolar
 Altos niveles de expresión de HMA4 en raíces y
PA, y de MPT1 en PA juegan roles centrales en
la captación aumentada de Zn y Cd, la
carga/descarga al xilema, la hiperacumulación
y la hipertolerancia en PA de A. halleri y N.
 caerulescens
Current Opinion in Plant Biology 2011, 14:252–259
Genes involucrados en la homeostasis de metales
en A. halleri y N. caerulescens
Current Opinion in Plant Biology 2011, 14:252–259
Plantas típicas empleadas en fitoextracción:
Hiperacumuladoras
 Girasol (Helianthus annuus)
 - Mostaza de la India





(Brassica juncea)
- Nabos (Brassica napus; B.
rapa)
- Cebada (Hordeum
vulgare)
- Lúpulo (Humulus lupulus)
- Ortigas (Urtica dioica; U.
urens),
- Diente de León
(Taraxacum officinale)




Thlapsi caerulescens
- Brassica juncea
- Pelargonium spp.
- Allysum lesbiacum
TIPOS DE FITORREMEDIACION
rhizodegradation
RIZOFILTRACION O
RIZOREMEDIACION
 Implica la degradación de contaminantes en la
rizosfera
 Condición necesaria: contaminante en disolución
 Está emergiendo como uno de los mecanismos
más efectivos por el cual las plantas pueden
remediar los contaminantes orgánicos,
particularmente aquellos recalcitrantes
 En ese caso se dan interacciones complejas entre
exudados de raíces y de microorganismos y el
suelo de la rizosfera, resultando en la formación
de compuestos no tóxicos o menos tóxicos
 Se emplea en el tratamiento de
contaminaciones por:
- Metales (Pb2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Cu2+)
- Radioisótopos (137Cd, 90Sr, U)
- Compuestos orgánicos hidrofílicos
 • Características deseables en la planta:
- Debe tener raíces de crecimiento
rápido y ramificación abundante.
- Debe poder remover metales tóxicos
por períodos prolongados.
- No debe ser un translocador eficiente
al tallo.
Las plantas acuáticas son buenos
candidatos para la rizofiltración
Plantas acuáticas sumergentes
Plantas acuáticas emergentes
 - Algas
 -Scirpus validus
 - Chara vulgaris (foto)
 - Typha latifolia (foto)
 - Myriophyllum aquaticum
 - Ceratophyllumdemersum
 - Myriophyllum spicatum
 - Potamogeton pectinatus
 - Hydrilla verticillata
 - Maranta arundinaceae
 - Lemna spp
Remoción de metales utilizando algas y
plantas acuáticas
 Las plantas acuáticas emplean dos mecanismos para separar
metales y otros contaminantes (incluyendo radioisótopos) de
aguas polucionadas:
 Reacción superficial rápida independiente del metabolismo:
.
proceso de difusión que finaliza cuando los iones metálicos solubles se
unen o adsorben a la pared celular . Pueden involucrar quelación,
intercambio iónico; puede ocurrir en raíces muertas.
Puede remover cantidades significativas en minutos
 Reacción de incorporación intracelular lenta dependiente del
metabolismo:
 proceso de transferencia desde la pared celular al interior de la célula .
Implica traslocación.
 Demanda horas o días.
Esquema de un sistema de rizofiltración
continua usando girasol

Journal of Hazardous Materials 173 (2010) 589–596
Rizofiltración de uranio usando cultivos
de raíces de Brassica juncea y Chenopodium
amaranticolor
Brassica juncea
C. amaranticolor
Para todas las concentraciones
utilizadas, el 90% del U fue
absorbido por las raíces dentro
de las 10 h de tratamiento.
Tasa de acumulación
de U en raíces de
Brassica juncea y de
Chenopodium
amaranticolor.
Los valores se expresan
como mg U/g tejido
seco.
Rizoremediación de PHC
Según el Convenio de Ramsar
 "Un humedal es una zona de la
superficie terrestre que está
temporal o permanentemente
inundada, regulada por factores
climáticos y en constante
interrelación con los seres vivos que
la habitan".
Uso de humedales construídos para
fitorremediar
"...son humedales aquellas extensiones de
marismas, pantanos, turberas o aguas de
régimen natural o artificial, permanentes o
temporales, estancadas o corrientes, dulces,
salobres o saladas, incluyendo las
extensiones de agua marina cuya
profundidad en marea baja no exceda de
seis metros". (Fide Scott y Carbonell 1986)
Un humedal es una zona de tierras,
generalmente planas, cuya superficie se
inunda de manera permanente o
intermitentemente.
Al cubrirse regularmente de agua, el suelo
se satura, quedando desprovisto de
oxígeno y dando lugar a un ecosistema
híbrido entre los puramente acuáticos y
los terrestres.
Humedales
Esteros
Naturales
Bañados
Madrejones
Tajamares
Construidos
«Wetlands»
Humedales naturales
Humedales construídos
 Pueden construirse donde se necesitan (viviendas unifamiliares, zonas rurales,
industrias).
 Son tratamientos terciarios de afino tras tratamientos convencionales, en
aguas residuales industriales.
 Se dimensionan de acuerdo a las necesidades del tratamiento.
 Son flexibles a fluctuaciones de la carga del contaminante y el caudal.
 Han demostrado ser altamente eficientes en la remoción de contaminantes.
 Son de bajo costo de instalación y de mantenimiento.
 Bajo o nulo consumo energético.
 Son operables por mano de obra no especializada.
 Integrables funcionalmente con el entorno (conservación del medioambiente).
 Ofrecen beneficios recreacionales, estéticos y/o educativos (aceptación
social).
Vegetación
Higrófitas
Heliófitas
Hidrófitas
Imagen modificada de Camefort 1972)
Vegetación
Enraizada
Flotante libre
Vista actual
TIPOS DE FITORREMEDIACION
FITOTRANSFORMACIÓN
La fitotransformación comprende los procesos
de fitodegradación y fitovolatilización
 • Herbicidas (atrazina,




alaclor)
• Aromáticos (BTEX:
benceno, tolueno,
etilbenceno y xilenos)
• Alifáticos clorinados (TCE:
tricloroetileno;
tetracloroetileno)
• Deshechos de nutrientes
(NO3 -, NH4+, PO43-)
• Deshechos explosivos
(TNT; RDX:
hexahidrotrinitrotriazina)
Depende de:
• Concentración del compuesto
disuelto en el suelo
• Eficiencia de captura, que
depende de:
- las propiedades físico-químicas del
compuesto
- especie química
-características de la especie vegetal
• Tasa de transpiración, que
depende de:
- el tipo de planta
- área foliar
- nutrientes
- humedad del suelo y ambiente
- temperatura
- viento
Una vez translocado, el compuesto
puede tener los siguientes destinos:
 √ Almacenamiento del producto (o de sus productos de
degradación) vía conjugación o lignificación
 √ Metabolización a distintos productos de degradación
 √ Volatilización por la transpiración
 √ Mineralización (CO2 + H2O)
 Plantas usadas en fitotransformación
 √Arboles freatófitos (álamo, sauce, álamo americano)
 √Pasturas (centeno, sorgo, festuca)
 √Leguminosas (trébol, alfalfa, caupí)
Fitodegradación de compuestos orgánicos
McCutcheon, PBI Bulletin, 1998
Rutas de degradación del TNT mediante
nitroreductasas y lacasas vegetales
ADNT: aminodinitrotolueno;
DANT: diaminonitrotolueno;
TAT: triaminotolueno;
TNT: trinitrotolueno
McCutcheon, PBI Bulletin 1998.
Detoxificación de TNT por plantas de tabaco transformadas
con el gen de nitroreductasa de Enterobacter cloacae
Crecimiento brotes de tabaco no transformado y transgénico
(NR 3-2) en medio líquido.
NT: no
transformadas
NR3-2:
transgénicas
Hannik et al.,
Nature Biotechnology, 2001.
NT
NR 3-2
Controles
NT
NT
NR 3-2
TNT 0.05mM
NR 3-2
NT
NR 3-2
TNT 0.1 mM
NT
NR 3-2
Detoxificación de TNT por plantas de tabaco transformadas
con el gen de nitroreductasa de Enterobacter cloacae
Crecimiento de raíces para brotes de plantas no transformadas (NT)
y transgénicas (NR 3-2) luego de 21 días de exposición a TNT
e.s.= Error estándar
Indice de tolerancia = longitud de las raíces de brotes tratados con TNT/longitud de las raíces de brotes control x 100
FITOESTIMULACIÓN
 Las plantas proveen el hábitat para el incremento en el




tamaño y actividad de poblaciones microbianas.
• Los exudados vegetales estimulan las
transformaciones efectuadas por las bacterias
(inducción enzimática).
• La síntesis de carbono orgánico aumenta la tasa de
mineralización microbiana (enriquecimiento de
sustrato).
• El oxígeno que difunde con las raíces asegura un
medio adecuado para las transformaciones aeróbicas.
• Los hongos micorríticos asociados a las raíces
vegetales metabolizan contaminantes orgánicos.
• Empleado en el tratamiento de contaminación orgánica
causada por pesticidas (atrazina), compuestos
aromáticos, e hidrocarburos aromáticos policíclicos
(PAHs)
• Se basa en la liberación por la planta de exudados
entre los que se incluyen:



- ácidos orgánicos de cadena corta
- compuestos fenólicos
- bajas concentraciones de enzimas y péptidos
• Plantas típicas empleadas en fitoestimulación

- Liberadoras de compuestos fenólicos (mora, manzano, Maclura
pomífera)
 - Pastos con raíces fibrosas (centeno, festuca) para contaminantes hasta
1 metro de profundidad
 - Arboles freatófitos para contaminantes hasta 3 metros de profundidad
 - Plantas acuáticas para sedimento
FITOESTABILIZACIÓN
Fitoestabilización
 Su objetivo es inmovilizar o reducir la
biodisponibilidad de los metales/metaloides
contenidos en un suelo contaminado o en
desechos mineros masivos, mediante
mecanismos de estabilización físicos, químicos y
biológicos. Consiste en el uso simultáneo de:
 Plantas tolerantes y excluyentes de metales –
metaloides al acumularlos en sus raíces (plantas
metalófitas excluyentes)
 Acondicionadores de sustrato: orgánicos e
inorgánicos.
 • Empleada en el tratamiento de contaminación por:
Metales (Pb2+, Cd2+, Zn2+, As2+, Cu2+, Se2+, U). Ideal para sitios mineros
Compuestos orgánicos hidrofóbicos: hidrocarbonos aromáticos policiclícos (PAHs),
bifenilos policlorados (PCBs), dioxinas, furanos, pentaclorofenol, DDT, dieldrina
 • Características deseables en la planta



Debe tolerar altos niveles de metales tóxicos
Debe inmovilizar los metales vía captura y posterior precipitación y reducción
Debe acumular bajas concentraciones en las raíces
• Plantas típicas empleadas en
fitoestabilización:



Arboles freatrófitos que transpiren grandes
volúmenes de H2O
Pastos con raíces fibrosas que estabilicen
la erosión del suelo
Plantas con sistemas radiculares robustos
capaces de absorber/unir contaminantes
(Festuca; Lollium)
Mecanismos de fitoestabilización:
precipitación de metales por bacterias y
superficies de raíces, por exudados de
bacterias y raíces; captura y secuestro por
bacterias
y raíces
Environmental
Health Perspectives .116:3 , 2008
Familias de plantas con potencial de
fitoestabilización
Environmental Health Perspectives .116:3 , 2008
Interconversiones del Hg en el
medio ambiente
Hg(0): mercurio elemental
Hg(II): mercurio iónico libre
RSHg: mercurio unido a azufre
MeHg: metilmercurio
Expresión de los genes merA y mer B de Desulfovibrio
desulfuricans en plantas transgénicas de Arabidopsis
thaliana
 No se conocen plantas capaces de detoxificar Hg.
 En cambio, existen microorganismos presentes en los
sitios contaminados que poseen dos enzimas
(organomercúrico liasa, gen merB, y mercúrico reductasa,
gen merA) que permiten convertir metilmercurio en Hg
elemental, detoxificando este metal.
 Se transformaron plantas de Arabidopsis thaliana con los
dos genes mencionados aislados de Desulfovibrio
desulfuricans.
Expresión de los genes merA y mer B de
Desulfovibrio desulfuricans en plantas
transgénicas de Arabidopsis thaliana
 R-CH2-Hg+ + H+
R-CH3 + Hg(II)
MerB
 Hg(II) + NADPH
Hg(0) + NAD+ + H+
MerA
MerB: organomercúrico liasa
MerA: mercúrico reductasa
Bizily et al., Nature Biotechnology, 2000.
Expresión de los genes merA y mer B de Desulfovibrio
desulfuricans en plantas transgénicas de Arabidopsis
thaliana
merB merA/B-1 merA NT
merB merA/B-1 merA NT
merB merA/B-1 merA NT
0 µM
1 µM
5 µM
Plantas
NT y transgénicas creciendo en
medios con mercurio orgánico.
Tasas de volatilización de Hg(0)
en plantas control y en 6 líneas
transgénicas de A. thaliana
Bizily et al., Nature Biotechnology, 2000.
Ventajas de la fitorremediación
 Generalmente solo origina cambios físicos menores sobre el medio.
 Permite la revegetación natural.
 Puede ser útil para retirar algunos de los compuestos tóxicos del petróleo.
 Ofrece una solución más simple y completa que las tecnologías físicas o
químicas
 Es menos costosa que otras tecnologías y puede aplicarse in-situ o ex –
situ.
 Es más efectiva que otros métodos, pudiendo lograr la detoxificación
completa.
 Mientras que los tratamientos físicos y en parte los químicos se basan en
transferir la contaminación entre medios gaseoso, líquido y sólido, en la
biorremediación se transfiere poca contaminación de un medio a otro
 Es un proceso natural, aceptado por la opinión pública y normativas
medioambientales.
 Como subproducto se obtiene un suelo útil para la agricultura.
Desventajas de la fitorremediación
 Para muchos tipos de contaminantes su efectividad no ha sido







determinada
Es difícil predecir el tiempo y eficiencia para un proceso adecuado.
El tiempo necesario para la actuación es largo y dispendioso
Es difícil de extrapolar condiciones del laboratorio o planta piloto al
sitio final a remediar.
Su implementación es específica para cada lugar contaminado;
requiriendo de diversos factores del sitio como la presencia de
microorganismos activos y condiciones de crecimiento adecuadas
La biodegradación incompleta puede generar intermediarios
metabólicos inaceptables, con un poder contaminante similar o
incluso superior al producto de partida y algunos compuestos
contaminantes son tan resistentes que pueden incluso inhibir la
biorremediación.
Requiere investigación multidisciplinaria para determinar y optimizar
las condiciones de biorremediación.
Su optimización requiere información sustancial acerca del lugar
contaminado y las características del vertido.
Uso de hairy roots para fitoremediar
Bacterias endófitas: aplicaciones en la
remediación de polutantes orgánicos
Chemosphere 117 (2014) 232–242
Bacterias endófitas como acompañantes en
la remediación de suelos contaminanados
con compuestos orgánicos
Chemosphere 117 (2014) 232–242
Diseño de sistemas de fitorremediación
 Selección de la especie vegetal
 Datos edafológicos
 Datos de toxicidad y de degradación de
contaminantes
 Tasa de captación del contaminante y tiempo
de limpieza requerido
 Esquema y densidad de las plantaciones
 Costos de Irrigación, insumos agronómicos,
mantenimiento y gastos de cosecha.
 Zona de captura de agua y tasa de
transpiración
 Análisis de riesgos contingentes (plagas,
sequías, etc)
Mercado potencial para la descontaminación ambiental
en Estados Unidos mediante las tecnologías actuales
 En los últimos 10 años se ha desarrollado un mercado importante para la
biorremediación, principalmente en Estados Unidos.
 Productos tóxicos: ~ U$S 400.000 M
 Metales pesados y tóxicos: ~ U$S 35.400 M
 El costo estimado para remediar los sitios utilizados por el Departamento
de Energía Atómica por métodos convencionales se calculó en U$S
142.000 M
 En 2005, el mercado norteamericano de remediación ambiental era de
U$S 6.000 a 8.000 M por año.
 El mercado norteamericano de fitorremediación era de U$S 100-150 M
anuales (0.5% del total de remediación).
 El mercado comercial de fitorremediación comprende 80% de
contaminantes orgánicos y 20% de inorgánicos.
 Se estima que el Mercado de fitoremediación en USA aumentó de $16.5-
$29.5 millones en 1998 a $214-$370 millones en 2005 y a $500-535 en 2010
Aspectos que requieren mayor estudio
para aumentar la eficiencia
 Interacciones planta-microorganismo y
otros procesos rizosféricos
 Captación por la planta
 Mecanismos de traslocación
 Mecanismos de tolerancia
(compartimentalización, degradación)
 Quelantes vegetales involucrados en
transporte y almacenamiento
 Movimiento de los contaminantes en los
ecosistemas vía el sistema suelo-aguaplanta hacia niveles tróficos superiores
Uso de la ingeniería genética para
desarrollar plantas tolerantes a metales
Journal of Environmental Management 105 (2012) 103e120
Bibliografía
 Phytoremediation of heavy metals—Concepts and applications. Chemosphere
91 (2013) 869–881
 Metal hyperaccumulation and hypertolerance: a model for plant evolutionary
genomics. Current Opinion in Plant Biology 2011, 14:252–259
 Phytoremediation. Annu. Rev. Plant Biol. 2005. 56:15–39
 Metal Hyperaccumulation in Plants. Annu. Rev. Plant Biol. 2010. 61:517–34
 Hyperaccumulators of metal and metalloid trace elements:
 Facts and fiction. Plant Soil (2013) 362:319–334
 PHYTOREMEDIATION. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 49:643–68
2010
 Endophytic bacteria: Prospects and applications for the phytoremediation of
organic pollutants. Chemosphere 117 (2014) 232–242
 Heavy metal hyperaccumulating plants: How and why do they do it?
 And what makes them so interesting? Plant Science 180 (2011) 169–181
 http://www.ecological-engineering.com/index.html
 http://en.phytorem.com/