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FITORREMEDIACIÓN

María Patricia Benavides Departamento de Química Biológica Facultad de Farmacia y Bioquímica.

Universidad de Buenos Aires IQUIFIB. CONICET

[email protected]

AGROBIOTECNOLOGIA CURSO 2016

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

Compuesto Contaminante (tóxico)

Sistema biológico

Compuestos no tóxicos

Bacterias

Hongos

Plantas

Biodegradación

CO2 + H2O

Biorremediación

FITORREMEDIACION

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

(Swoboda-Colbert (1995), Microbial transformation and degradation of toxic Organic chemicals, Chapter 2. pgs 27-74. Wiley-Liss.)

Ej: solventes clorados

Ej: CFCs, CCl4

No

Ej: Pesticidas solubles en agua en climas desérticos

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).


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.


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.


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 co-metabolitos 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.

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

Populus

Brassica juncea

Lollium

Alyssum bertolonii

Helianthus annuus

Tecnologías de fitorremediación y sus usos

a: rizofiltración b:wetlands artificiales c: control hidráulico d: extracción y estabilización e: filtración del aire

Pilon-Smits, Annual Review in Plant Biollogy, 2005

Usadas como filtros

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

Chemosphere 91 (2013) 869–881

Paracelso: ¿Hay algo que no sea veneno? “dosis sola facit venenum”

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

TRENDS in Plant Science Vol.7 No.7 , 2002

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

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

FITOEXTRACCION

TIPOS DE FITORREMEDIACION

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

J O U R N A L O F P R O T E O M I C 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


Estudios de proteómica en plantas hiperacumuladoras


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


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


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


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

RIZOFILTRACION O RIZOREMEDIACION

TIPOS DE FITORREMEDIACION

rhizodegradation

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

- Chara vulgaris (foto)

- Myriophyllum aquaticum

- Myriophyllum spicatum

- Hydrilla verticillata

-Scirpus validus

- Typha latifolia (foto)

- Ceratophyllumdemersum

- Potamogeton pectinatus

- 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

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.

Brassica juncea

C. amaranticolor

Rizofiltración de uranio usando cultivos de raíces de Brassica juncea y Chenopodium amaranticolor

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

Naturales

Construidos

Esteros Bañados Madrejones Tajamares

«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

Imagen modificada de Camefort 1972)

Higrófitas

Hidrófitas

Heliófitas

Vegetación

Enraizada

Flotante libre

Vista actual

FITOTRANSFORMACIÓN TIPOS DE FITORREMEDIACION

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

McCutcheon, PBI Bulletin 1998.

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

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 NR 3-2

NT NR 3-2

Controles TNT 0.05mM TNT 0.1 mM

NT NR 3-2

NT NR 3-2

NT NR 3-2

Hannik et al., Nature Biotechnology, 2001.

NT: no transformadas NR3-2: transgénicas

Detoxificación de TNT por plantas de tabaco transformadas con el gen de nitroreductasa de Enterobacter cloacae

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

Crecimiento de raíces para brotes de plantas no transformadas (NT) y transgénicas (NR 3-2) luego de 21 días de exposición a TNT

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.


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

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

Bizily et al., Nature Biotechnology, 2000.

MerB

MerA

MerB: organomercúrico liasa MerA: mercúrico reductasa


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-agua-planta 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

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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/




http://en.phytorem.com/

fitorremediaciÓn - fbmc.fcen.uba.ar · pueden ser elementos naturales presentes en la corteza...

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