Download Teorica 17- Fitorremediacion

☰





Buscar
Explorar
Iniciar sesión
Crear una nueva cuenta
Pubblicare
×
Agrobiotecnología. Curso 2011
Clase 17: Fitorremediación
Alternativas actuales para eliminar contaminaciones de metales pesados
Transparencias 3-7
La contaminación ambiental con metales pesados y radionucleótidos es un serio
problema tanto para la salud humana como para la agricultura. La
fitorremediación es
una de las tecnologías emergentes que podrá solucionar, al menos
parcialmente, este
problema. Tanto la contaminación de suelos como la de aguas ponen en riesgo
la
salud y la calidad de vida humana. Por ejemplo, el níquel puede producir
desde
irritación en la piel hasta daños pulmonares, del sistema nervioso y de las
mucosas, y
es además un agente carcinogénico. Por otro lado, el plomo puede producir
anemia,
enfermedades del hígado y riñones, daño cerebral y hasta la muerte. La
transparencia
4 muestra los rangos de concentración comúnmente hallados y los límites
permitidos
para algunos contaminantes metálicos y para los radionucleótidos más
importantes
La actividad industrial ha crecido enormemente desde los comienzos del siglo
XX.
Este crecimiento fue acompañado con el aumento de desechos tóxicos, nocivos
tanto
para el ambiente como para los organismos que en él habitan, incluyendo al
hombre.
La necesidad de disminuir el impacto ambiental de los subproductos
industriales ocupa
un lugar creciente en la agenda pública. Paralelamente, comienza a divisarse
un
nuevo mercado económico, dirigido hacia el tratamiento de efluentes y
descontaminación ambiental. La transparencia 6 presenta algunos datos
referidos al
costo actual de los procesos de descontaminación en Estados Unidos.
Existen diversas alternativas tecnológicas para el tratamiento de suelos y
aguas
contaminados, pero su alto costo hace que muchas de éstas resulten poco
factibles
desde el punto de vista económico. Recientemente, se ha generado un gran
interés en
utilizar especies vegetales capaces de crecer en suelos altamente
contaminados en
técnicas de biorremediación (transparencia 7). Muchas de estas especies
acumulan
las sustancias contaminantes en su parte aérea y esto permite utilizarlas
como
extractores de bajo costo de una variada categoría de sustancias tóxicas.
Fitorremediación
Transparencias 8-25
Existe una abundante literatura sobre la remediación de suelos y aguas
mediante el
uso de plantas. Esta tecnología, aún emergente, se vuelve cada vez más
prometedora
dadas las grandes ventajas que presenta respecto de las tecnologías
tradicionalmente
utilizadas en descontaminación. Dependiendo de los autores, pueden
encontrarse
distintas definiciones de “fitorremediación”. En la transparencia 9 se
presentan dos de
ellas a modo de ejemplo. La transparencia 10 enumera algunos ejemplos de
contaminantes orgánicos y las formas más frecuentes utilizadas para
degradarlos por
fitorremediación. La transparencia 11 hace lo propio para el caso de los
contaminantes
inorgánicos.
Se conocen hasta el momento más de 400 especies vegetales capaces de acumular
sustancias tóxicas con distintos grados de eficiencia. La fitorremediación
ofrece una
serie de ventajas importantes en comparación con las técnicas tradicionales
de
descontaminación ambiental, algunas de las cuales se enumeran en la
transparencia
13. Sin duda, el mayor beneficio que deriva de los métodos de
fitorremediación es de
tipo económico. Por ejemplo, en Estados Unidos, el costo para remediar un
acre de
suelo hasta 50 cm de profundidad ronda los U$S 400.000 si se aplican
tecnologías de
excavación, mientras que si se utilizan plantas para el mismo propósito el
costo
desciende a U$S 60.000. Esta diferencia se debe principalmente a que no se
necesitan maquinarias costosas ni personal altamente calificado.
En muchos casos, la fitorremediación se utiliza como paso final para la
descontaminación de algún sitio que fue previamente tratado mediante el uso
de otras
tecnologías. A pesar de las grandes ventajas listadas en la transparencia
anterior, al
encarar un proceso de fitorremediación deben considerarse también las
limitaciones
de este enfoque, las cuales se enumeran en la transparencia 14. Un riesgo que
debe
ser correctamente evaluado es el efecto potencial sobre la cadena
alimentaria. Por
ejemplo, si algún herbívoro se alimenta de plantas utilizadas en un proceso
de
fitorremediación, ello podría tener efectos nocivos y hasta letales sobre él
y/o sobre
sus predadores. Aunque se está trabajando activamente en el análisis de
efectos de
este tipo, se requiere aún más investigación para que se puedan establecer
métodos
de manejo adecuados.
Pueden distinguirse distintos tipos de fitorremediación según el modo en que
la planta
capta o metaboliza la sustancia contaminante (transparencia 15). Una de las
formas
más importantes, la fitoextracción, involucra el uso de plantas terrestres
para absorber
metales pesados desde el suelo, para luego transportarlos hacia el tallo y
las hojas.
Una vez fitoextraídos, los metales pueden acumularse en la porción aérea de
la planta
y cosecharse para luego reducir su volumen por incineración. Los compuestos
tóxicos
pueden también liberarse como especies volátiles menos tóxicas.
El diseño del sistema a utilizar para la descontaminación variará según el o
los
compuestos contaminantes, la concentración de dichas sustancias y las
condiciones
del sitio a remediar (transparencias 16 y 17). El tipo de fitorremediación
que será
utilizado es muy importante, ya que el diseño del sistema dependerá de ello.
Algunos
factores clave a tener en cuenta son:
Selección de la especie vegetal: en general se utilizan plantas de rápido
crecimiento,
fáciles de crecer y mantener. No debe olvidarse el requerimiento de agua de
las
plantas en el terreno en que serán ubicadas. Algunos diseños utilizan
especies
autóctonas para no modificar demasiado la flora local. Obviamente, la especie
seleccionada deberá descontaminar eficientemente la sustancia tóxica. Pueden
utilizarse plantas, árboles, pastos o algas.
Datos de toxicidad y de degradación de contaminantes: es necesario analizar
el tipo
de contaminación para asegurar la correcta elección del sistema.
Probablemente
deben realizarse ensayos a pequeña escala para comparar la efectividad de
descontaminación de distintas especies. También es necesario analizar la
cantidad y
características de los compuestos que la planta produce y/o libera.
Esquema y densidad de las plantaciones: la densidad de plantación dependerá
de la
planta utilizada y del tipo de aplicación. Debe estimarse la cantidad de
biomasa
producida lo largo del tiempo por unidad de superficie. Además, en algunos
casos será
necesario realizar plantaciones sucesivas a lo largo de un período
preestablecido.
Irrigación, insumos agronómicos y mantenimiento: en aplicaciones de
fitorremediación
terrestre debe incluirse el costo de irrigación. La frecuencia y cantidad de
las lluvias y
las características del clima regional son factores que podrán modificar el
requerimiento de agua de riego. Otros costos importantes que deben incluirse
en el
plan son las plantaciones sucesivas, el mantenimiento y monitoreo, la cosecha
y la
fertilización, entre otros.
Zona de captura de agua y tasa de transpiración: Debe analizarse el
movimiento del
agua y su destino final. Un árbol maduro es capaz de liberar más de 760 L de
agua por
año a través de la transpiración. En algunos casos, las plantas liberarán al
medio
productos menos tóxicos que aquellos que les dieron origen mediante el
proceso de
transpiración.
Tasa de captación del contaminante y tiempo de limpieza requerido: existen
varias
ecuaciones para determinar la tasa de descontaminación.
Análisis de riesgos contingentes: no debe excluirse la posibilidad de que se
presenten
eventos inesperados (plagas, sequía, vientos, animales, etc.) que pongan en
peligro el
sistema de fitorremediación planteado. Es recomendable considerar esto y
disponer de
estrategias de contingencia para asegurar el éxito del programa.
La transparencia 20 presenta algunos ejemplos de las especies más utilizadas
en
fitorremediación. En particular, los álamos han sido utilizados para la
remoción de
suelos contaminados con diversos compuestos. Entre ellos, pueden citarse como
ejemplos la atrazina, el tricloroetileno y el selenio.
La fitoextracción, uno de los tipos de fitorremediación más utilizados, es
empleada
comercialmente para la descontaminación de ciertos metales. En la tabla de la
transparencia 21, se presentan ejemplos de pruebas de campo realizadas para
descontaminar distintos compuestos. Sin embargo, aún se requiere un mayor
desarrollo de la tecnología para optimizar la capacidad de las especies
fitoextractoras.
Una posibilidad a considerar es la aplicación de técnicas mixtas combinando
fitorremediación con tecnologías tradicionales.
Pueden distinguirse tres grandes pasos durante el proceso de acumulación de
metales
pesados en las plantas: a) la captación por las raíces; b) el transporte y;
c) los
mecanismos de evasión y de tolerancia.
Captación por las raíces: los metales pueden presentarse disueltos en el agua
superficial del suelo o adsorbidos a componentes del mismo. En el primer
caso, la
planta será capaz de absorberlos directamente de la solución en la que se
encuentran.
En el segundo, deberá solubilizar previamente los metales mediante la
secreción
radicular de fitosideróforos, proteínas quelantes (fitoquelatinas y
metalotioneínas), y
protones que acidifican el medio. Una vez solubilizados, los iones metálicos
podrán
ingresar a la raíz por vía apoplástica (extracelular) o por vía simplástica
(intracelular).
Transporte: una vez que los metales se encuentran dentro de la planta, pueden
ser
acumulados en las raíces o exportados hacia el tallo. La exportación hacia el
tallo se
realiza a través del xilema y la redistribución dentro del mismo de realiza
por el floema.
Finalmente, los metales son almacenados dentro de la vacuola celular.
Mecanismos de evasión y de tolerancia: la planta debe contar con mecanismos
que
eviten que los metales pesados la afecten severamente. La evasión, es decir,
la
limitación en la captación de los metales, puede ser uno de los sistemas
utilizados. La
detoxificación o la resistencia metabólica a los metales pesados son otras
alternativas
para evitar los efectos tóxicos.
La transparencia 24 presenta algunos de los procesos biológicos que afectan a
la
fitorremediación y que deben ser estudiados en mayor profundidad para poder
hacer
más eficientes los procedimientos basados en esta técnica.
Tipos de fitorremediación
Transparencias 26-62
La fitorremediación puede aplicarse tanto al tratamiento de contaminaciones
con
compuestos orgánicos como con sustancias inorgánicas. Los agentes
contaminantes
pueden a su vez, estar presentes en un sustrato sólido (suelo), líquido
(agua), o en el
aire. Tomando en cuenta estos factores, los procesos de fitorremediación
puede
dividirse en distintos tipos: fitoextracción, rizofiltración,
fitoestimulación,
fitoestabilización, y fitotransformación. En las transparencias 27 y 28 se
resumen los
aspectos esenciales de cada tipo de proceso. La transparencia 29 resume y
complementa la información anterior. Se enumeran los distintos tipos de
fitorremediación y se presentan algunos ejemplos de las contaminaciones más
frecuentes para los que han sido utilizados.
La planta ideal para su utilización en procesos de fitoextracción debería
tolerar y
acumular altas concentraciones de metales en las partes cosechables, tener
una alta
tasa de crecimiento y una alta producción de biomasa. Thlapsi caerulescens,
perteneciente a la familia Brassicaceae, es una de las plantas identificadas
como
hiperacumuladora de metales. Sin embargo, su reducido tamaño limita la
utilización de
esta especie en aplicaciones a campo. Brassica juncea es otra especie
prometedora
para su utilización en este proceso. Es capaz de acumular distintos metales
pesados
en su tallo, y produce mayor cantidad de biomasa que T. caerulescens. Sin
embargo,
para la mayoría de los casos citados en la tabla, T. caerulescens acumula
niveles más
altos de metales pesados que B. juncea. En consecuencia, al elegir la especie
para un
sistema de fitoextracción, es muy importante establecer la relación entre la
biomasa
producida y la capacidad de acumular sustancias tóxicas. En la transparencia
32, se
enumeran algunas plantas típicas que han sido empleadas en procesos de
fitoextracción. T. caerulescens es una de las especies más estudiadas por su
capacidad hiperacumuladora. Esta especie puede acumular hasta 40 mg de zinc
por
gramo de tejido foliar seco. También puede acumular niveles considerables de
cadmio.
Sin embargo, es una planta de crecimiento lento y genera poca biomasa, por lo
que se
la usa principalmente como un modelo experimental.
La biodisponibilidad de los metales para su captación por la planta es un
factor
determinante de la efectividad de la remediación (transparencia 33). Los
metales en
estado iónico o adsorbidos a constituyentes inorgánicos del suelo pueden ser
captados por la planta para comenzar el proceso de fitoextracción. El manejo
de la
biodisponibilidad de los metales es crítico para el éxito de cualquier plan
de
fitorremediación, existiendo varios métodos para incrementar la misma. Por
ejemplo, el
agregado de quelantes origina la formación de complejos quelante-metal y
permite que
los metales estén disponibles para su captación. En suelos con bajo pH, la
adsorción
de los metales se halla disminuida y aumenta la concentración de las formas
solubles.
En este caso, manteniendo un pH levemente ácido, se puede incrementar la
biodisponibilidad de los metales y, por lo tanto, su captación. Muchos
metales pesados
están unidos a óxidos, y su disolución es otra forma de aumentar la
biodisponibilidad.
Algunas plantas exudan agentes reductores por sus raíces, lo que modifica el
estado
redox del suelo y permite disociar los óxidos metálicos. Es sabido también
que los
microorganismos presentes en la rizosfera facilitan la captación de
nutrientes por la
planta. El enriquecimiento de la rizosfera con microorganismos capaces de
favorecer
la captación de metales pesados puede contribuir a facilitar la
biodisponibilidad. La
transparencia 34 muestra gráficos que representan dos estrategias de
fitoextracción:
fitoextracción continua y fitoextracción asistida por quelantes.
Fitoextracción continua: se basa en la capacidad natural de algunas plantas
de
hiperacumular metales a lo largo de su ciclo de vida. La desventaja de este
sistema
deriva de que muchas plantas hiperacumuladoras son de bajo crecimiento,
producen
poca biomasa, y no son capaces de acumular los principales metales
contaminantes
(cadmio, plomo, uranio). En el esquema de la transparencia 34 se muestra la
captación del metal a lo largo del tiempo a medida que las plantas crecen. La
cosecha
de las mismas se efectúa una vez que alcanzan su tamaño óptimo y la máxima
incorporación del metal
.
Fitoextracción asistida por quelantes: debido a que los metales más
problemáticos no
están bajo formas disponibles en el suelo, se utilizan quelantes, como EDTA,
para
favorecer la biodisponibilidad de dichos compuestos e incrementar la
acumulación en
la planta. El esquema de la transparencia 34 muestra las dos etapas del
proceso. En
la primera, se deja crecer la planta hasta el tamaño deseado, siendo mínima
la
incorporación del metal. En la segunda, se aplica el quelante y se produce la
máxima
captación del metal. Finalmente, se efectúa la cosecha. El gráfico de barras
muestra
un ejemplo en que la aplicación de EDTA permite aumentar la captación de
plomo. En
este caso, se midió la concentración del metal en los tallos de B. juncea
tras haber
tratado el suelo con distintas concentraciones del quelante. Se observa que a
medida
que se incrementa la cantidad de quelante aplicado, aumenta
significativamente la
captación de plomo por la planta.
Una posible forma de incrementar la acumulación de metales en las plantas es
mediante la sobrexpresión constitutiva de proteínas que intervienen en el
transporte de
éstos a la vacuola celular. En las transparencias 35 y 36, se muestran
experimentos
realizados con células de Saccharomyces cereviciae y plantas de Nicotiana
tabacum
transformadas con el gen de Arabidopsis thaliana cax2, el que codifica una
proteína
transportadora de Ca2+. Los ensayos realizados se explican parcialmente en
las
propias transparencias. Todas las cepas de la levadura se cultivaron hasta
saturación
y luego se diluyeron 500 veces en medio conteniendo distintas concentraciones
de
MnCl2. Las incubaciones se realizaron por 1 día a 30oC. La tolerancia al Mn2+
está
cuantificada mediante la densidad óptica de los cultivos de S. cereviciae.
Como puede
observarse en la gráfica, la sobrexpresión de CAX2 en S. cereviciae aumenta
la
tolerancia a Mn2+, tanto en la cepa mutante cnb como en la cepa salvaje.
Panel
superior de la transparencia 36: los ensayos se realizaron complementando el
medio
con 10 mM CaCl2, 0,1 M CdCl2 o 0,1 mM MnCl2. El contenido de iones se
determinó
por espectrometría de absorción atómica. Las plantas transgénicas para CAX2
son
capaces de acumular mayor cantidad de iones. Estos resultados son más
notorios si
se analiza el contenido de iones de las raíces. Panel inferior de la
transparencia 35:
para los tres iones analizados, puede observarse que la expresión de CAX2 en
ambas
líneas transgénicas (curvas en anaranjado y azul) aumenta al transporte de
iones
comparado con la línea control (curva verde).
La contaminación con cadmio de los suelos se debe principalmente al excesivo
uso de
fertilizantes fosfatados, desechos domiciliarios y deposición ambiental.
Muchos
cultivos de interés agronómico captan el metal. Por lo tanto, dicho problema
alcanza la
alimentación humana y las tierras cultivables. Algunos organismos resisten
naturalmente al estrés causado por metales pesados mediante proteínas
quelantes del
metal en cuestión (metalotioneínas y fitoquelatinas). Aumentando la expresión
de
dichas proteínas en la especie vegetal a utilizar mediante la sobrexpresión
de los
respectivos genes, se podría desarrollar resistencia frente al metal pesado.
Como se
muestra en la tabla de la transparencia 36, el gen que codifica la proteína
de interés
puede derivar de una especie vegetal o de otros organismos.
Las algas y plantas acuáticas constituyen una alternativa de elección cuando
se trata
de descontaminar aguas o tierras inundadas. Lemna minor es una planta que
posee
una alta tasa de multiplicación. La fitorremediación de aguas contaminadas
con esta
especie hace uso de esta ventaja para generar una gran cantidad de biomasa en
un
corto período de tiempo. La transparencia 37 presenta los dos mecanismos
principales
que utilizan las especies acuáticas para remover contaminantes de aguas
polucionadas.
La transparencia 38 presenta un ejemplo de fitoextracción de níquel y plomo
realizado
con L. minor. Las figuras muestran ensayos realizados en presencia de ambos
metales con el fin de establecer la presencia o ausencia de efectos
antagónicos o
sinérgicos. Figura superior: se observa la remoción de níquel a partir de un
nivel inicial
alto (5 mg/L) para tres concentraciones diferentes de plomo. La remoción del
metal es
rápida, y luego de las 5 h permanece constante. Se logra remover hasta un 87%
del
níquel presente. Figura inferior: se muestra la remoción del plomo a partir
de un nivel
inicial alto (10 mg/L) para tres concentraciones distintas de níquel. Se
observa una
remoción del 83%. Puede concluirse que la presencia de cada uno de estos
metales
no incide sobre la captación del otro, por lo cual se deduce que los
mecanismos
involucrados son independientes.
El uso de raíces de plantas para absorber, concentrar y precipitar metales
tóxicos de
aguas o napas contaminadas se denomina rizofiltración (transparencia 39).
Este
sistema permite el tratamiento in situ de los contaminantes, minimizando su
impacto
en el entorno. En una primera etapa, plantas con raíces bien desarrolladas se
ponen
en contacto con agua contaminada a modo de aclimatación. Luego, las mismas
son
implantadas en el sitio contaminado para colectar los compuestos tóxicos. Una
vez
que las raíces se saturan con los mismos, se lleva a cabo la cosecha de las
plantas.
Estudios realizados con este tipo de métodos demostraron que algunas plantas
tienen
la capacidad de remover hasta el 60% de su peso seco en forma de metal
tóxico.
Se han realizado estudios para analizar la capacidad de distintas plantas
acuáticas
para descontaminar sustancias tóxicas presentes en su ambiente mediante
rizofiltración (transparencia 40). Por ejemplo, se ha demostrado que
Myriophyllum
aquaticum puede degradar trinitrotolueno (TNT). Esta planta posee la
habilidad de
tomar TNT de su medio y metabolizarlo, formando productos de oxidación. Los
productos de degradación se acumulan en el tejido vegetal. A pesar de que aún
no se
han determinado los niveles de toxicidad del TNT ni de sus derivados para la
planta,
se están llevando a cabo numerosos estudios para dilucidar este interrogante.
Un posible enfoque para la rizofiltración de radionucleótidos es la
utilización de
tumores de raíces obtenidos por transformación con Agrobacterium rhizogenes.
Las
transparencias 41 y 42 muestran ensayos realizados con raíces transformadas
de B.
juncea y Chenopodium amaranticolor para la captación de uranio. El panel
inferior de
la transparencia 41 muestra estudios de captación de uranio (bajas
concentraciones;
25-500 M) realizados con las raíces de ambas especies. La relación entre la
concentración de uranio en el medio y la cantidad de uranio captado por el
tejido
radicular resulta lineal: a medida que aumenta la concentración del metal en
el medio,
aumenta proporcionalmente la cantidad de uranio captado por las raíces. La
transparencia 42 muestra estudios de captación de uranio (altas
concentraciones; 5005000 M) realizados por las raíces de las especies
mencionadas anteriormente. Se
observa captación lineal para el caso de las raíces de C. amaranticolor. Por
el
contrario, los ensayos con raíces de B. juncea muestran que el sistema llega
a
saturación a partir de una determinada concentración de uranio.
La fitotransformación, que abarca los procesos de fitodegradación y
fitosolubilización,
es la conversión de contaminantes orgánicos dentro de la planta mediante
procesos
metabólicos propios de la misma. Los tóxicos son degradados en compuestos más
simples, que se integran a algún tejido de la planta. La transparencia 43
enumera los
factores que deben considerarse al implementar este tipo de fitorremediación.
La
liberación de contaminantes volátiles a la atmósfera mediante la
transpiración de la
planta se conoce con el nombre de fitovolatilización, y es una forma de
fitotransformación. A pesar de que la liberación de contaminantes a la
atmósfera no
sea el objetivo principal de la remediación, la fitovolatilización puede ser
deseable, ya
que se reduce el riesgo de contaminación de las napas de aguas subterráneas.
Se ha
demostrado que algunos álamos híbridos son capaces de transformar el
tricloroetano
(TCE) en tricloroetanol, ácido tricloroacético, y ácido dicloroacético, con
mineralización
parcial de TCE a CO2. También se ha observado que el pesticida atrazina es
transformado por esta especie.
Las especies vegetales son capaces de metabolizar distintas familias de
compuestos
orgánicos porque poseen rutas metabólicas que no están presentes en otros
organismos. La transparencia 45 muestra ejemplos de procesos de degradación
que
pueden ser realizados por las plantas. La identificación de estas rutas en
distintas
especies permitirá extender el uso de este tipo de fitorremediación.
Los trabajos previos de remediación de explosivos se basaban en la capacidad
de
hongos y microorganismos para degradar compuestos tales como TNT
(trinitroglicerina), RDX (1,3,5-trinitro-1,3,5- triazina), TETRYL (N-metilN,2,4,6tetranitroanilina), y HMX (octahidro-1,3,5,7-tetrazocina). Estos
enfoques presentan
como desventaja el requerimiento de excavar la tierra contaminada para su
procesamiento posterior en biorreactores, lo que equipara los costos de este
método a
los de la incineración tradicional. Una posible solución a esta clase de
contaminantes
es la utilización de especies vegetales capaces de asimilar y modificar los
compuestos
mencionados. Aunque hasta el presente la fitotransformación de explosivos por
esta
vía ha resultado parcial (transparencia 46), se trabaja intensamente para
optimizar el
proceso.
El TNT es uno de los explosivos más tóxicos y peligrosos. Durante los últimos
100
años se ha estado acumulando en depósitos y arsenales, y su eliminación se ha
convertido en un gran problema desde el punto de vista ambiental.
Actualmente, la
incineración es el único método disponible para el tratamiento de suelos
contaminados
con TNT, pero este proceso produce cenizas sin ninguna posible utilidad y
contamina
el aire. En los procesos de fitotransformación de compuestos orgánicos debe
contemplarse no sólo la degradación del compuesto original, sino también la
producción de compuestos intermedios y productos finales. La transparencia 47
muestra la ruta de degradación del TNT. Como se puede observar, en los
sucesivos
pasos de esta vía se generan distintos productos intermediarios. Resulta de
suma
importancia analizar la toxicidad de los mismos, ya que si estos resultan
almacenados
en las plantas podrían ingresar en la cadena alimentaria y causar efectos
nocivos, y
aún mortales, en los animales que se alimentan de ellas.
En general, los explosivos son compuestos fitotóxicos, aunque algunas
especies
vegetales poseen mecanismos para su detoxificación. Por otra parte, la enzima
bacteriana nitroreductasa (NR) de Enterobacter cloacae resulta activa para la
degradación del TNT. En el ejemplo que se ilustra en las transparencias 48 a
50 se
transformaron plantas de Nicotiana tabacum con el gen de NR de esta bacteria
y se
analizaron los efectos tóxicos del TNT sobre plantas transgénicas (NR 3-2) y
plantas
control no transformadas (NT). Para realizar los ensayos, se cultivaron
plantas de 14 d
de edad en medio con o sin TNT durante 7 d adicionales y se midió su peso
para
establecer la variación en biomasa. La variación de este parámetro fue tomada
como
indicativa de fitotoxicidad. Panel superior de la transparencia 48: se
esterilizaron
superficialmente 50 semillas, se germinaron y se crecieron durante 14 d en
medio sin
TNT (figura izquierda). Luego se incubaron los brotes de semillas no
transformadas y
transgénicas con 0,25 mM de TNT en agua estéril por 7 d adicionales (figura
derecha).
En medio conteniendo 0,25 mM de TNT, los brotes de semillas sin transformar
perdieron 34% del peso fresco respecto de los controles sin TNT. Los brotes
de
semillas transformadas aumentaron un 18% su peso fresco respecto de los
mismos
controles. Panel inferior de la transparencia 48: se sembraron 4 semillas de
cada tipo
en placas y se registró el crecimiento de las raíces a los 20 d. En presencia
de 0,05
mM de TNT, los brotes de semillas no transformadas mostraron atrofia
radicular,
mientras que los brotes de semillas NR 3-2 desarrollaron raíces similares a
las de los
brotes cultivados en medio libre de TNT. En medio con 0,1 mM de TNT, los
brotes de
semillas no transformadas mostraron un retardo notable en el desarrollo. En
contraste
con esto, los brotes de semillas transgénicas sufrieron mínimos efectos
fitotóxicos.
Las transparencias 49 y 50 muestran resultados del mismo trabajo. Se midió la
longitud de las raíces de brotes NT y NR 3-2, y se utilizó este parámetro
para calcular
un índice de tolerancia (longitud de las raíces de brotes tratados con
TNT/longitud de
raíces de brotes control x 100) en cada concentración de TNT ensayada. Como
puede
observarse, las raíces de los brotes transformados exhiben mayor longitud que
las
raíces de los brotes no transformados, efecto que se observa tanto en el
tratamiento
de 0,05 mM como de 0,1 mM de TNT, lo que se refleja en los respectivos
índices de
tolerancia. Los resultados que se muestran son un promedio de las mediciones
realizadas sobre 10 brotes individuales. La tabla de la transparencia 50
muestra las
variaciones registradas en el peso de brotes expuestos a dos concentraciones
distintas de TNT. En medio con 0,1 mM de TNT, los brotes transgénicos
mostraron
una mayor ganancia en peso que los brotes de plantas sin transformar. Cuando
ambos
tipos de plantas se cultivaron en presencia de 0,25 mM de TNT, se observaron
reducciones de peso en ambos casos. Sin embargo, la pérdida de peso resultó
menor
en el caso de los brotes transgénicos.
Las transparencias 51 a 53 muestran otro ejemplo de degradación de
explosivos, en
este caso la hexahidro 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazina (RDX). Este explosivo es
tóxico para
todo tipo de organismos (incluyendo las plantas) y un posible carcinógeno. Su
degradación ambiental es muy lenta y su presencia en suelos y napas de agua
constituye un problema grave. El hongo Phanerochaete chrysosporium y las
bacterias
del género Rhodococcus son capaces de degradar RDX, pero no desarrollan
suficiente biomasa para ser utilizados en procesos de biodegradación. La
molécula
responsable de la degradación es un citocromo P450. Como prueba de concepto,
se
aisló el gen de citocromo P450 XplA de Rhodococcus rhodocochrous y se lo
expresó
en plantas de A. thaliana. Las plantas fueron utilizadas en ensayos de
detoxificación
de suelos contaminados con RDX. Los resultados obtenidos se muestran en las
transparencias mencionadas.
Las flechas del diagrama presentado en la transparencia 54 muestran las
principales
interconversiones del mercurio en el medio ambiente. El mercurio elemental,
Hg(0), y
el mercurio unido a azufre, RSHg, se convierten lentamente en mercurio iónico
libre,
Hg(II), el cual actúa como sustrato de las reacciones de metilación. El
producto
resultante, metilmercurio, es una grave amenaza ambiental debido a su
tendencia a
entrar en la cadena alimentaria acuática y a biomagnificarse. Se ha estimado
que el
metilmercurio se concentra en los peces entre 6 y 7 órdenes de magnitud sobre
la
concentración presente en las aguas contaminadas y que constituye entre el 90
y el
100% del mercurio total. Por comparación, el mercurio iónico se bioconcentra
mucho
menos eficientemente y se elimina con más rapidez. El Hg ha sido utilizado en
diversas industrias cuyos efluentes pudieron contaminar los cuerpos de agua
con
dicho metal. Este proceso provocó dos epidemias de envenenamiento en Japón en
los
años 60.
No se conocen plantas que detoxifiquen al mercurio. Para poder desarrollar un
planteo
de fitorremediación a nivel experimental, se transformaron plantas de A.
thaliana con
los genes responsables de la conversión de metilmercurio a mercurio
elemental, los
que se aislaron de la bacteria Desulfovibrio desulfuricans. La transparencia
55 muestra
los pasos involucrados en la conversión de metilmercurio a mercurio
elemental.
La transparencia 56 muestra ensayos de crecimiento realizados con plantas de
A.
thaliana transformadas con cada uno de los genes mencionados anteriormente
(plantas merA y merB) o con ambos en forma simultánea (plantas merA/merB).
Por
otro lado, se evaluó si la tolerancia al mercurio orgánico se relaciona con
la tasa de
volatilización de Hg(0) utilizando 6 líneas de plantas merA/merB. Los ensayos
se
realizaron en ausencia o presencia de 5 M de acetato de fenilmercurio (PMA).
Sólo 2
de las líneas (merA/B-1 y merA/B-2) fueron capaces de crecer normalmente en
estas
condiciones. Panel superior: se compararon las tasas de crecimiento de
plantas
transgénicas (merA9-1, merB-4 y merA/merB-1) y controles no transformadas
(NT) en
medio conteniendo mercurio orgánico. Las plantas se cultivaron verticalmente
durante
3 semanas para observar el desarrollo radicular. En ausencia de mercurio, las
plantas
transgénicas y no transgénicas crecen de manera similar. Las plantas merA no
toleraron la concentración mínima de mercurio orgánico. Las plantas merB
crecieron
vigorosamente en presencia de 1 M de mercurio orgánico, pero su crecimiento
fue
notablemente menor en 5 M y exhibieron una marcada clorosis en 10 M. En
cambio,
las plantas merA/merB-1 germinaron y crecieron sostenidamente aún en 10 M de
mercurio orgánico. Panel inferior: las plantas transgénicas y control se
cultivaron en
una cámara cerrada en medio suplementado con 25 M de acetato de metilmercurio
(MeHg). Se realizaron mediciones del contenido de Hg(0) en el aire de la
cámara cada
2 min. Los datos están expresados en pg de Hg(0) por mg de peso fresco de
tejido. Se
graficaron los totales acumulativos de 10 min en promedios de Hg(0) por
minuto. Las
plantas no transformadas (NT), merA y merB exhibieron valores basales. Las
plantas
doble transgénicas son poblaciones F2 y por lo tanto, el nivel de
volatilización
observado representa el promedio de las plantas portadoras de ambos
transgenes.
Las líneas merA/B-1 y merA/B-2 son las que muestran mayor tasa de
volatilización de
Hg(0). Las líneas merA/B-3 y merA/B-5 presentaron una volatilización
intermedia y
crecieron (aunque lentamente) en medio con 5 M de PMA. Las líneas merA/B-4 y
merA/B-6 no lograron germinar. Estos resultados sugieren que la resistencia a
metilmercurio está relacionada directamente con la conversión del compuesto a
mercurio elemental.
Una estrategia similar a la del trabajo presentado en las transparencias 55 y
56
anteriores se siguió en tabaco, pero introduciendo los genes responsables de
la
reducción de metilmercurio en el genoma de los cloroplastos (transparencia
57). Se
germinaron semillas in vitro en medio conteniendo espectinomicina 500 mg/L.
Las
plántulas (10 d post-germinación) fueron transferidas a invernadero y
cultivadas en
tierra por 6 d adicionales. Luego, las plantas fueron tratadas con 0,50, 100,
y 200 M
de acetato de fenilmercurio (PMA). Las fotografías de la transparencia 57 se
tomaron
14 d después del tratamiento. Las líneas transgénicas crecieron normalmente
en suelo
conteniendo hasta 100 M de PMA y sobrevivieron a 200 M PMA. Ambas
concentraciones de PMA resultaron letales para las plantas no transformadas.
El selenio (Se) es un elemento esencial para muchos organismos, pero resulta
tóxico
en altas concentraciones. La toxicidad se basa en la incorporación
inespecífica del Se
en algunas proteínas en reemplazo del grupo azufrado (S) de los residuos de
cisteína
(Cys). Existen varios mecanismos de tolerancia al Se, y la mayoría de ellos
se basan
en evitar la incorporación de Se-Cys en las proteínas (el Se se puede
volatilizar como
dimetildiselénido, de baja toxicidad, o acumular en forma de aminoácidos que
no se
incorporan a las proteínas). Dado que las plantas acumulan y volatilizan
eficientemente Se del suelo y/o del agua, se ha propuesto utilizarlas para el
tratamiento de ambientes contaminados con este compuesto. Se ha planteado la
posibilidad de sobrexpresar en plantas la enzima selenocisteína liasa (SL)
para
aumentar su capacidad de acumular este elemento. En el trabajo que se
presenta en
las transparencias 58 y 59 se sobrexpresó el gen de la SL de ratón (que posee
alta
actividad frente a Se-Cys y baja frente a Cys) en A. thaliana y se analizó la
incorporación de Se en las proteínas, su acumulación in planta, y la
tolerancia
desarrollada en las plantas transgénicas.
La transparencia 59 muestra resultados del trabajo presentado anteriormente.
Las
construcciones genéticas utilizadas para la transformación con el gen de
selenocisteína liasa permitieron la acumulación de la proteína a nivel del
citoplasma o
del cloroplasto. Panel superior: se analizó la incorporación de Se a
proteínas de la
planta. Para ello se cultivaron plantas de A. thaliana en medio conteniendo
0,5 M de
selenito durante 14 d. Se observó que tanto las plantas que expresaban la
selenocisteína liasa en el citoplasma (citSL) como en cloroplastos (cpSL)
contenían en
promedio un 42% menos de Se incorporado en las proteínas respecto de las
plantas
control no transgénicas (NT). Esto demuestra que la expresión de la enzima
previene
la incorporación no específica de Se-Cys en las proteínas. Panel inferior: se
estudió la
tolerancia a Se. Para ello se cultivaron plantas de Arabidopsis en medio
conteniendo
50 M de selenato, 25 M de selenito o 50 M de Se-Cys. Como parámetro
representativo de la tolerancia, se midió la longitud de las raíces. Estos
ensayos
mostraron que las plantas citSL son más tolerantes que las plantas NT. Las
plantas
cpSL resultaron menos tolerantes (notar las diferentes escalas utilizadas
para la
medición de la longitud de las raíces). Las plantas transgénicas citSL
resultan
prometedoras como fitorremediadoras, dado que toleran altas concentraciones
de Se y
son capaces de acumularlo en el tallo. Podría utilizarse este modelo para
generar
plantas transgénicas de otras especies con el fin de aplicarlas en ensayos de
campo
en ambientes contaminados. Actualmente, se está trabajando en la obtención de
B.
juncea transgénicas para SL.
La fitoestimulación, también conocida como biodegradación estimulada por la
rizosfera, rizodegradación o biorremediación asistida por plantas, es la
degradación de
contaminantes orgánicos presentes en el suelo a través del estímulo de la
actividad
microbiana en la zona cercana a las raíces de la planta (rizosfera). La
actividad
microbiana se ve estimulada mediante compuestos liberados por las plantas
(azúcares, carbohidratos, aminoácidos, acetatos, enzimas). Además, el sistema
radicular oxigena la rizosfera y así se asegura la transformación aeróbica.
Por otro
lado, la biomasa de las raíces aumenta el carbono orgánico disponible. Los
hongos
micorríticos que crecen en las inmediaciones de las raíces pueden también
degradar
contaminantes orgánicos. Las transparencias 61 y 62 enumeran las
características de
las especies utilizadas en fitoestimulación. Este enfoque está siendo
ensayado para
reducir la contaminación por combustibles utilizando plantas de alfalfa.
También se
realizaron estudios con álamos para combatir la contaminación con atrazina.
La fitoestabilización se basa en la inmovilización de metales pesados del
suelo. Ello
tiene importantes consecuencia en minimizar la erosión, reducir la
solubilidad de los
contaminantes y su biodisponibilidad en la cadena alimentaria. La aplicación
de
materia orgánica, fosfatos, agentes alcalinos, entre otros, puede disminuir
la
solubilidad de los metales en el suelo, minimizando su pasaje a las napas de
aguas
subterráneas. La planta puede acumular los contaminantes en las raíces o
causar la
precipitación de los mismos en las inmediaciones de las raíces. La
transparencia 63
enumera los principales contaminantes tratados por este método, las
características
buscadas en las plantas candidatas y algunos ejemplos de plantas utilizadas
para este
fin.
Descargar
1. Trabajos y Tareas
2. Ecología y Medio Ambiente
Teorica 17- Fitorremediacion.doc
Clase 22 Fitorremediacion.doc
COLEGIO MISAEL PASTRANA BORRERO- I.E.D. CIENCIAS NATURALES:
QUIMICA Profesora: Luz Marina Ramírez
ESTUDIANTE: CURSO: Fecha:
RIVERPHY - Rehabilitación de cauces contaminados por metales
10.- Ejercicios Raíces
Fabricación Mecánica Ocupación Aptitudes Operador de hornos de fusión
Eliminación de contaminantes para las plantas
Problemas ambientales • Residuos sólidos • Fitorremediación • Transgénicos y plantas
transgénicas
NOMBRE HISTORIA PROPIEDADES
Historia • Latón • Materiales • Plata • Propiedades
Química Bioinorgánica QUI 32514
El espanol como idioma para la ciencia
Fitorremediación
studylib.es © 2017
DMCA Alertar