Departamento de Fisiologa, Biologa Molecular y Celular Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Universidad de Buenos Aires
Agrobiotecnologa Curso 2011
FitorremediacinAlejandro Mentaberry
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
SumarioAlternativas actuales para eliminar contaminaciones de metales pesadosFitorremediacin
- Ventajas- Limitaciones- Tipos de plantas ms utilizadas
Tipos de fitorremediacin- Fitoextraccin- Rizofiltracin- Fitotransformacin- Fitodegradacin de compuestos orgnicos- Fitoestimulacin- Fitoestabilizacin
Plantas transgnicas para detectar compuestos inorgnicos txicos en el medio ambienteReferencias
Alternativas actuales para eliminar contaminaciones de metales pesados
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Agrobiotecnologa a Riley et al.b Clean up Standards for contaminated sites. New Jersey, Department of Environmental Protection(1996)c Microgramos por gramod Picocuries por gramoe Picocuries por kilogramof Stern et al.
-------0,00011-3.500.000 ePlutonio
-------0,02-46.900 eCesio
-------0,03-540.000 eEstronio
-------
250 f0,2-16.000 c
0,06-18.700 dUranio
pCi . g-1UnidadesRadionucletidos
1.500150-5.000.000Zinc
60030-550.000Cobre
2700,1-1.800.000Mercurio
1005,1-3.950.000Cromo
20100-102.000Arsnico
100100-345.000Cadmio
6001.000-6.900.000Plomo
(mg/Kg) b(g/Kg)aMetalesLmite regulatorioRango de concentracinElemento
Rangos de concentracin comnmente hallados y lmites permitidos paralos contaminantes metlicos y los radionucletidos ms importantes
Fitorremediacin
Tomado de: Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 1998.
Suelos- Rellenado de terrenos- Fijacin qumica e impermeabilizacin
superficial- Lixiviacin y reposicin del suelo
Aguas- Precipitacin o floculacin- Intercambio inico- Osmosis inversa- Microfiltracin
Alternativas actuales para eliminar contaminaciones de metales pesados
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Mercado potencial para la descontaminacin ambiental en Estados Unidos mediante las tecnologas actuales
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
En los ltimos 10 aos se ha desarrollado un mercado . importante para la biorremediacin, principalmente en . Estados Unidos.
Productos txicos: ~ U$S 400.000 M Metales pesados: ~ U$S 7.100 M Metales pesados y txicos: ~ U$S 35.400 M
El costo estimado para remediar los sitios utilizados . por el Departamento de Energa Atmica por mtodos . convencionales se calcul en U$S 142.000 M
En 2005, el mercado norteamericano de remediacin . ambiental era de U$S 6.000 a 8.000 M por ao.
El mercado norteamericano de fitorremediacin era de . U$S 100-150 M anuales (0.5% del total de remediacin).
El mercado comercial de fitorremediacin comprende . 80% de contaminantes orgnicos y 20% de inorgnicos.
El mercado de fitorremediacin creci de 3 y 5 veces . entre 1999 y 2005.
La fitorremediacin es econmicamente competitiva respecto de otras alternativas de remediacin
Adaptado de Chappell, US Environmental Protection Agency,1998.
Fitorremediacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Conjunto de mtodos para degradar, asimilar, metabolizar o detoxificar metales pesados y compuestos orgnicos por medio de la utilizacin de plantas.
Es el empleo de vegetacin parael tratamiento in situ de suelos, sedimentos y aguas contaminadas.
Fitorremediacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Se basa en los procesos que ocurren naturalmente por los cuales las plantas
y los microorganismos rizosfricos degradan y secuestran contaminantes
orgnicos e inorgnicos
Sustratos slidos (suelos y sedimentos):- sitios militares (TNT, metales, orgnicos)- campos agrcolas (herbicidas, pesticidas, metales, selenio)- sitios industriales (orgnicos, metales, arsnico)- minas (metales)- sitios de tratamiento de maderas (hidrocarburos aromticos policclicos; PAHs)
Sustratos lquidos- aguas residuales (nutrientes, metales)- drenajes de agricultura (nutrientes, fertilizantes, metales,
arsnico, selenio, boro, pesticidas orgnicos y herbicidas)- efluentes industriales (metales, selenio)- efluentes de minera (metales)- plumas subterrneas (metales, compuestos orgnicos)
Sustratos gaseosos- aire libre e interior (xidos de nitrgeno, SO2, ozono, CO2, gases neurotxicos, partculas de holln, e hidrocarburos halogenados voltiles)
La fitorremediacin permite detoxificar distintos sustratos
Contaminantes orgnicos
Son consecuencia de las actividades humanas:- industria petroqumica (derrames de combustibles y solventes)- actividades militares (explosivos y armas qumicas)- agricultura (pesticidas, herbicidas)- industria qumica (efluentes)- industria forestal y maderera (efluentes)
Dependiendo de sus propiedades, pueden ser:- degradados en la zona radicular
- incorporados a la planta degradacinsecuestrovolatilizacin
Ejemplos de descontaminaciones exitosas por fitorremediacin:Solventes orgnicos, herbicidas, explosivos, hidrocarburos derivados del petrleo, bifenilos policlorinados (PCBs), tricloroetileno (TCE), hidrocarburos aromticos policclicos (PAHs).
Pueden ser consecuencia de elementos naturales presentes en la corteza . terrestre y/o en la atmsfera, o resultado de actividades humanas:
- minera- industria- transporte- agricultura- actividades militares
No pueden ser degradados, pero pueden fitorremediarse mediante . estabilizacin o secuestro en la parte cosechable de la planta.
Ejemplos de descontaminaciones exitosas por fitorremediacin:Macronutrientes vegetales (nitrato y fosfato), elementos traza (Cr, Cu, Fe,
. Mn, Mo, Zn), elementos no esenciales (Cd, Co, F, Hg, Se, Pb, V y W), e
. istopos radioactivos (238U, 137Cs y 90Sr), entre otros.
Contaminantes inorgnicos
Ventajas
Las plantas pueden ser utilizadas como bombas extractoras de bajo costo para depurar suelos y aguascontaminadas (costo 7-10 veces menor respecto de los
. mtodos tradicionales).
- Las plantas emplean energa solar.- El tratamiento es in situ.
Algunos procesos degradativos ocurren en forma ms rpida con plantas que con microorganismos.
Es un mtodo apropiado para descontaminar superficies grandes o para finalizar la descontaminacin de reas restringidas en plazos largos.
Es una metodologa con buena aceptacin pblica.
Se generan menos residuos secundarios.
Fitorremediacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Limitaciones
El proceso se limita a la profundidad de penetracinde las races o a aguas poco profundas.
La fitotoxicidad es un limitante en reas fuertemente contaminadas.
Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados.
La biodisponibilidad de los compuestos o metaleses un factor limitante de la captacin.
Deben considerarse contaminaciones potencialesde la cadena alimentaria y napas de agua.
Se requiere comprender mejor la naturalezade los productos de degradacin (fitodegradacin).
Falta elaborar el marco regulatorio detallado.
Fitorremediacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Captacin por las races:- Movilizacin de los metales
Quelacin mediante fitosiderforos Unin a protenas quelantes (fitoquelatinas) Acidificacin por exudado de H+
- Captacin por la raz Via apoplstica Va simplstica
Transporte:- Almacenamiento en raz o exportacin al tallo por xilema- Transporte por xilema o redistribucin por floema- Almacenamiento en vacuolas
Mecanismos de evasin o tolerancia:- Captacin celular limitada (evasin)- Metabolismo tolerante a metales pesados- Detoxificacin por quelacin, compartimentalizacino precipitacin
Mecanismos ms probables:- Compartimentalizacin en vacuolas y quelacin con fitoquelatinas (Cd2+, Zn2+, Cu2+ )
- Precipitacin como fitatos (Zn2+)
Biologa de la acumulacinde metalesen plantas
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Mecanismos involucrados en la quelacin y compartimentali-zacin
Mecanismos de tolerancia para contaminantes orgnicos e inorgnicos en plantas.La detoxificacin generalmente involucra la conjugacin seguida del secuestro activo en la
vacuola y el apoplasto, donde el contaminante hace el menor dao. Los quelantes son: glutatin (GSH), glucosa (Glu), metalotionenas (MT), nicotinamina (NA), cidos orgnicos (OA,
fitoquelatinas (PC). Los transportadores se representan por cajas con flechas.
Adaptado de: Pilon-Smits, Annual Review in Plant Biollogy, 2005.
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Contaminante
inorgnico
Contaminante
orgnico
adsorcin
pared celular
secuestro
citoplasma
secuestro
vacuola
modificacin
enzimtica
degradacin
enzimtica
conjugacin
Estrategias de fitorremediacin utilizadas para remediar agua, suelo o aire contaminados.
Adaptado de: Pilon-Smits, Annual Review in Plant Biology, 2005.
hidroponia(rizofiltracin)
humedal artificial
barrera hidrulica fitoextraccin y fitoestabilizacion
filtracin de aire
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Plantas usadas como barrera hidrulica
para prevenir la contaminacin de
napas y la dispersin horizontal de plumas.
Plantas usadas como filtros
Seleccin de la especie vegetal
Datos de toxicidad y de degradacin de contaminantes
Tasa de captacin del contaminante y tiempode limpieza requerido
Esquema y densidad de las plantaciones
Costos de Irrigacin, insumos agronmicos, . mantenimiento y gastos de cosecha.
Zona de captura de agua y tasa de transpiracin
Anlisis de riesgos contingentes (plagas, sequas, etc.)
Diseo de sistemas de fitorremediacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Freatfitas- Plantas de races profundas
(lamo, sauce, algodonero). Pasturas
- Por su tipo de raz retienen el suelo. Legumimosas
- Permiten enriquecer el suelo en N2. Acuticas
- Permiten la degradacin de contaminantesen humedales artificiales.
Tipos de plantas ms utilizadas
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Algunas especies propuestas para fitorremediacin
Thlapsi caerulescens
Brassica juncea
Silene vulgaris Alyssum lesbiacum Festuca arundinacea
Hibiscus cannabinusLotus corniculatus
Agrobiotecnologa
Ejemplosde pruebasde campo para fitorremediacin de metales
FitorremediacinTomado de: Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998.
a: Mtodos de fitorremediacin. FE: fitoextraccin; FV: fitovolatilizacin; RF: rizofiltracin; FEAQ: fitoextraccin asistida por quelantes; FEC: fitoextraccin continua
ComentariosLa incorporacin de Pb2+aplicando EDTA result en la reduccin del 28% en la contaminacin en el rea en una temporada de cosecha.
Fitoextraccin de suelos enmendados con barros sedimentarios. La acumulacin de Zn2+en T. caerulescensfue 10 veces mayor que en otras plantas.
Suelos enmendados con sedimentos.
El contenido de B extraiblepor agua se redujo entre 24% y 52%, y el de Se seredujo entre 13% y 48% por todas las especies.
Remocin de U de aguas subterrneas
Mtodoa
FE-FEAQ
FE-FEC
FE-FEC
FE-FECFV
RF
UbicacinTrenton, N.J.
Beltsville, Md.
Rothamstead, U.K.
Los Baos, California
Asthabula, Ohio
PlantaBrassica juncea
Thlapsi caerulescensSilene vulgaris
Brassica oleraceaRaphanus sativus
Thlapsi caerulescensAlyssum lesbiacum
Alyssum muraleArabidopsis thaliana
Brassica junceaFestuca arundinacea
Lotus corniculatus
Helianthus annus
MetalPb
CdZn
ZnCdNiCuPbCrSeB
U
ComentariosLa incorporacin de Pbresult en la reduccin del 28% en la contaminacin en el rea en una temporada de cosecha.
Fitoextraccin de suelos enmendados con barros sedimentarios.
en T. caerulescensfue 10 veces mayor que en otras plantas.
Suelos enmendados con sedimentos.
El contenido de B extraiblepor agua se redujo entre 24% y 52%, y el de Se seredujo entre 13% y 48% por todas las especies.
Remocin de U de aguas subterrneas
Mtodoa
FE-FEAQ
FE-FEC
FE-FEC
FE-FECFV
RF
UbicacinTrenton, N.J.
Beltsville, Md.
Rothamstead, U.K.
Los Baos, California
Asthabula, Ohio
PlantaBrassica juncea
Thlapsi caerulescensSilene vulgaris
Brassica oleraceaRaphanus sativus
Thlapsi caerulescensAlyssum lesbiacum
Alyssum muraleArabidopsis thaliana
Brassica junceaFestuca arundinaceaHibiscus cannabinusLotus corniculatus
Helianthus annus
MetalPb
CdZn
ZnCdNiCuPbCrSeB
U
Contaminantes orgnicos:No existen generalmente transportadores especficos en la planta. Se mueven por difusin en los tejidos vegetales, segn sus propiedades qumicas. La hidrofobicidad les permite atravesar fcilmente la bicapa lipdica pero se mueven con dificultad por los fluidos celulares.
Contaminantes inorgnicos:Incorporados por procesos biolgicos mediante transportadores de membrana, preexistentes porque son nutrientes o similares a ellos (arsenato y selenato son incorporados por transportadores de fosfato). Por ello, su captacin es saturable.
Los contaminantes inorgnicos causan en general toxicidad . por daos en la estructura celular (estrs oxidativo por su . actividad redox) y reemplazan a otros nutrientes esenciales.
Los contaminantes orgnicos suelen ser menos txicos: no . tienden a acumularse a altos niveles y son menos reactivos.
En los suelos con mezcla de ambos contaminantes, el . crecimiento vegetal y la posibilidad de fitorremediacin son . ms limitados
Caractersticas del contaminante que afectan la captacin por la planta
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
La biodisponibilidad depende de:
Las propiedades qumicas del contaminante (hidrofobicidad. y volatilidad):Las molculas con extrema hidrofobicidad (PCBs, PAHs, hidrocarburos) se unen fuertemente a la materia orgnica y no se disuelven en el agua (contaminantes recalcitrantes).
Los contaminantes no voltiles son fitodegradados o secuestrados, mientras que los voltiles pueden liberarse a la atmsfera sin transformaciones.
Las propiedades del suelo:Los arcillosos (partculas pequeas) retienen ms agua que los arenosos y tienen ms sitios de unin para iones (cationes), al igual que los de mayor concentracin de materia orgnica (humus). stos pueden unir mayor cantidad de contaminantes hidrofbicos. La biodisponibilidad de los contaminantes inicos est afectada por el pH del suelo (pH cido, aumenta la biodisponibilidad de cationes)
Las condiciones medioambientales:
La temperatura y la humedad afectan la biodisponibilidad (por ejemplo, aumentando la migracin de contaminantes disueltos en agua)
Factores fsicos y qumicos que afectan la biodisponibilidad del contaminante
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Interacciones planta-microorganismo:- La liberacin de fotosintatos por la planta aumenta la poblacin . microbiana capaz de remediar.
- La liberacin de metabolitos secundarios de la planta puede activar . la expresin de genes relacionados a la degradacin de . contaminantes en los microorganismos o actuar como co-metabolitos . para la degradacin por los microorganismos.
La biodisponibilidad es modificada por liberacin de:
Biosurfactantes (ramnolpidos) liberados por bacterias que aumentan . disponibilidad de compuestos hidrofbicos Exhudados vegetales con compuestos que pueden promover la sntesis . de biosurfactantes por las bacterias Enzimas (vegetales y bacterianas) que modifican las cadenas laterales de . algunos compuestos orgnicos aumentando su biodisponibilidad. Quelantes por plantas y bacterias (siderforos, cidos orgnicos y . fenlicos) que aumentan disponibilidad de metales. Secrecin de H+ por las plantas que acidifican el suelo. Enzimas que convierten los metales a formas menos txicas o ms . biodisponibles (por ejemplo, Cr VI a Cr III)
Factores biolgicos que afectan la biodisponibilidad del contaminante
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin.
Procesos que requieren aumentar los conocimientos para aumentar la eficiencia de la fitorremediacin:
Interacciones planta-microorganismo y otros procesos . rizosfricos
Captacin por la planta
Mecanismos de traslocacin
Mecanismos de tolerancia (compartimentalizacin, . degradacin)
Quelantes vegetales involucrados en transporte y . almacenamiento
Movimiento de los contaminantes en los ecosistemas . va el sistema suelo-agua-planta hacia niveles trficos . superiores
Aspectos que requieren de mayor investigacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Agrobiotecnologa
Tipos de fitorremediacin
Fitorremediacin
Las bases conceptuales de la fitorremediacin se apoyan en los mecanismospresentes en plantas que hiperacumulanmetales
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Adaptado de: Buchanan et al., Biochemisty and Molecular Biology of Plants, 2000.
Fitoestimulacin
Acumulacin o degradacin en el tejido cosechable
Fitovolatilizacin
FitodegradacinMicroorganismo
que degrada toxinas
Toxina
FitoestabilizacinFitoextraccin
Fitorremediacin
FitoextraccinLas plantas se usan para concentrar metales en las partes cosechables (principalmente, la parte area).
RizofiltracinLas races de las plantas se usan para adsorber, precipitar y concentrar metales pesados a partir de efluentes lquidos contaminados.
FitoestimulacinSe usan los exudados radiculares para promover el desarrollo de microorganismos degradativos (bacterias y hongos).
FitoestabilizacinLas plantas tolerantes a metales se usan para reducir la movilidad de los mismos y evitar el pasaje a napas subterrneas o al aire.
Fitotransformacin- Fitodegradacin: Las plantas acuticas y terrestres captan, almacenan y degradan compuestos orgnicos para dar subproductos no txicos o menos txicos.- Fitovolatilizacin: Las plantas captan y modifican metales pesados o compuestos orgnicos y los liberan a la atmsferamediante la transpiracin.
Tipos de fitorremediacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Fitoextraccin:Usada principalmente para remediar metales y otros txicos inorgnicos .
. (Se, As, radionucletidos).
Rizofiltracin:Tcnica relativamente cara de implementar, siendo til para cantidades
. pequeas de aguas residuales conteniendo compuestos inorgnicos
. peligrosos (radionucletidos). Los humedales artificiales se utilizan para
. una amplia gama de contaminantes inorgnicos (metales, percloratos, cianuro,
. nitratos y fosfatos) y contaminantes orgnicos (explosivos y herbicidas).
Fitoestimulacin:Es usado para remediar contaminantes orgnicos hidrofbicos que no pueden
. ser incorporados por la planta pero que pueden ser degradados por los
. microorganismos (PCBs, PAHs e hidrocarburos derivados del petrleo).
Las diferentes estrategias de fitorremediacin son adecuadas para distintos contaminantes
Fitoestabilizacin:Este tcnica es usada cuando se plantan coberturas vegetales en sitios
. conteniendo contaminantes orgnicos o inorgnicos; o cuando se usan
. rboles como barreras hidrulicas para permitir el filtrado de contaminantes
. orgnicos e inorgnicos.
Fitodegradacin:Es til para compuestos orgnicos que se movilizan dentro de la planta,
. (herbicidas, TNT, MTBE y TCE).
Fitovolatilizacin:Puede utilizarse para compuestos orgnicos con formas voltiles (TCE y
. MTBE) y para algunos compuestos inorgnicos que pueden existir en forma
. voltil (Se y Hg).
Las diferentes estrategias de fitorremediacin son adecuadas para distintos contaminantes
Fitoextraccin Se utiliza para el tratamiento de contaminaciones con metales (Cd2+, Co2+, Cr2+, Ni2+, Hg2+, Pb2+, Se2+, Zn2+). Caractersticas deseables en la planta:
- Debe tolerar y acumular altas concentraciones de metalesen las partes cosechables
- Debe tener una alta tasa de crecimiento - Debe producir un gran volumen de biomasa
4258 16820.574 429559 12175 16Cd2+ (5)1ThlapsiBrassicaThlapsiBrassicaMetal
RacesTallos
8.425 422011.475 1252.739 383587 115Ni2+ (1)8.545 42205.486 39389 1580 8Cr2+ (0,4)
60.716 2151055.809 9221623 265159 32Cu2+ (1)
2.990 14241.816 1739770 32049 31Zn2+ (3)7.011 36161.432 140929 233 1Pb2+ (5)
Coeficiente de bioacumulacin DE
1 Concentracin inicial del metal en solucin (mg/L)
Coeficiente de bioacumulacin: relacin entre la acumulacin en el tejido (g/g de peso seco) y concentracin en solucin (mg/L) o en suelo.
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin Tomado de: Salt et al., Biotechnology 1995.
Plantas tpicas empleadas en fitoextraccin:
Hiperacumuladores:
- Girasol (Helianthus annuus)- Mostaza de la India (Brassica juncea)- Nabos (Brassica napus; B. rapa)- Cebada (Hordeum vulgare)- Lpulo (Humulus lupulus)- Ortigas (Urtica dioica; U. urens), - Diente de Len (Taraxacum officinale)
- Thlapsi caerulescens- Brassica juncea- Pelargonium spp..- Allysum lesbiacum
Fitoextraccin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Los metales en el suelo pueden estaren distintas formas:
Como iones o complejos insolubles Adsorbidos a constituyentes inorgnicos del suelo o unidos
a sitios de intercambio Unidos a molculas orgnicas Como compuestos o precipitados insolubles
(xidos, carbonatos, hidrxidos) Integrados a la estructura de los silicatos
Formas de incrementar la biodisponibilidad:
Agregado de quelantes de metales Establecimiento de un pH moderadamente cido Disolucin de surfactantes para contaminantes hidrofbicos Agregado de microorganismos
Fitoextraccin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Esquema de fitoextraccin continua y asistida por quelantes
Concentracin de Pb2+ en tallos de Brassica juncea en un suelo contaminado con plomo (600 mg/kg de suelo) tratado con EDTA.
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Adaptado de: D. E. Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998.
Tomado de: McCutcheon, PBI Bulletin 1998.
Fase de crecimiento Cosecha
Fase de captacinde metal
Fase de captacinde metal
Fase de crecimiento Cosecha
Aplicacindel quelante
La lnea slida naranja ( ) representa la concentracin de metal en la biomasa, la lnea discontinua ( ) representa la biomasa de tallo.
C
o
n
c
e
n
t
r
a
c
i
n
d
e
P
b
2
+
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(
g
/
g
)
EDTA aplicado (mmol/kg suelo)
Fitoextraccin continua
Fitoextraccin asistida por quelantes
Acumulacin de metalesy toleranciaa manganesoen plantasde tabacoque expresanel gen cax2de Arabidopsis
El transporte de metales desde el citosol a la vacuola es un componente importante para la tolerancia a metales en las plantas.
El intercambiador de Ca2+ CAX2 (Calcium Exchanger 2) de Arabidopsises un regulador clave de este proceso.
La expresin del gen cax2 en clulas de Saccharomyces cereviciaesuprime defectos en el crecimiento debidos a excesos de Ca2+ y Mn2+.
Se transformaron plantas de tabaco con el gen cax2 dirigido por el promotor de 35S de CaMV. La secuencia se introdujo tambin en antisentido para usar esta construccin como un control interno.
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Ensayo de tolerancia a Mn2+en cepas de Saccharomycescereviciae que expresan el intercambiador CAX2.
Control: cepa salvaje de S. cereviciaecnb: cepa de S. cereviciae mutada en el gen de calcineurina (suceptibilidad a Mn2+) Vector: cepas transformadas con el vector vaco CAX2: cepas transformadas con el gen cax2
Vector ControlCAX2 Control Vector cnbCAX2 cnb
Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol. 2000.
Las plantas de tabaco que expresan CAX2 acumularon ms Ca2+, Cd2+ y Mn2+ y fueron ms tolerantes a niveles elevados de Mn2+.
Concentracin de iones en las races (izquierda) y en los tallos (derecha) de plantas transgnicas. Vector: controles transformados con el vector vaco. C-14: lnea transformada con el gen cax2. Los ensayos se realizaron complementando el medio con 10 mM Cl2Ca, 0,1 M Cl2Cd 0,1 mM Cl2Mn.
Captacin de iones en vacuola de clulas de races de plantas que expresan el gen cax2. A: transporte de Cd2+; 10 M total Cd2+. B: transporte de Mn2+; 100 M total Mn2+. C: transporte de Ca2+; 10 M total Ca2+.
Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000. Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000.
Acumulacin de metalesy toleranciaa manganesoen plantasde tabacoque expresanel gen cax2de Arabidopsis
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Vector CAX2
g
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g
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g
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ControlC-21C-14
Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000.
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)
Tiempo (min)Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000.
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)
Tiempo (min)
Tomado de: Hirschi et al., Plant Physiol., 2000.
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)
Tiempo (min)
Las plantas acuticas emplean dos mecanismos para separar metales y otros contaminantes (incluyendo radioistopos) de aguas polucionadas:- Reaccin superficial rpida independiente del metabolismo:
proceso de difusin que finaliza cuando los iones metlicos solubles se unen o adsorben a la pared celular. Puede removercantidades significativas en minutos.
- Reaccin de incorporacin intracelular lenta dependiente del metabolismo: proceso de transferencia desde la pared celular al interior de la clula. Demanda horas o das.
Lemna minor Microspora
Remocinde metales utilizando algas y plantas acuticas
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Tomado de: Axtell et al., Bioresource Technology, 2003.
Remocinde metales utilizando Lemna minor
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Tiempo (h)
C
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Tiempo (h)
0,0 mg/L Pb 2+
5,0 mg/L Pb 2+
10,0 mg/L Pb 2+
Modelo
0,0 mg/L Pb 2+
5,0 mg/L Pb 2+
10,0 mg/L Pb 2+
Modelo
0,0 mg/L Ni2+
2,5 mg/L Ni2+
5,0 mg/L Ni2+
Modelo
0,0 mg/L Ni2+
2,5 mg/L Ni2+
5,0 mg/L Ni2+
Modelo
Concentracin inicialde Ni2+ : 5 mg/L
Concentracin inicialde Pb2+ : 10 mg/L
Rizofiltracin Se emplea en el tratamiento de contaminaciones por:
- Metales (Pb2+, Cd2+, Zn2+, Ni2+, Cu2+)- Radioistopos (137Cd, 90Sr, U)- Compuestos orgnicos hidroflicos
Caractersticas deseables en la planta:
- Debe tener races de crecimiento rpido y ramificacin abundante.- Debe poder remover metales txicos por perodos prolongados.- No debe ser un translocador eficiente al tallo.
La remocin tiene distintos componentes:
- Componente rpido: combinacin de procesos fsicos y qumicos (quelacin, intercambio inico, adsorcin); puede ocurrir en races muertas.
- Componentes intermedios: Incluyen captura intracelular, deposicin en la vacuola y translocacin a los tallos.
- Componente lento: precipitacin mediada por la raz; involucra exudados de la raz.
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Las plantas acuticas son buenos candidatos para encarar procesos de rizofiltracin
Rizofiltracin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Flujo vertical
Capas de
arena y
grava Eflujo
Scirpusvalidus
Esquema de rizofiltracin basado en Scirpus validus
-
- Scirpus validus- Typha latifolia- Ceratophyllum demersum- Potamogeton pectinatus- Maranta arundinaceae- Lemna spp
Plantas acuticas emergentes: Plantas acuticas sumergentes:- Algas- Chara vulgaris- Myriophyllum aquaticum- Myriophyllum spicatum- Hydrilla verticillata
Rizofiltracinde uranio usando cultivos de races de Brassica junceay Chenopodiumamaranticolor
Agrobacterium rhizogenes es capaz de transformar races y provocar el sobrecrecimiento de las mismas.
Tejido radicular de Brassica juncea y de Chenopodiumamaranticolor.
Se utilizaron races transformadas de ambas especies para remover U de soluciones con baja concentracin.
Tasa de acumulacin de U en races de Brassica juncea y de Chenopodiumamaranticolor. Los valores se expresan como g U/g tejido seco.
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Tomado de: Eapen et al., Environmental Research, 2003.
Concentracin de U (M)
C. amaranticolor
g
U
/
g
t
e
j
i
d
o
s
e
c
o
g
U
/
g
t
e
j
i
d
o
s
e
c
o
B. juncea
Concentracin de U (M)
C. amaranticolorB. juncea
Se utilizaron races transformadas de ambas especies para remover U de soluciones con alta concentracin.
Para todas las concentraciones utilizadas, el 90% del U fue absorbido por las races dentro de las 10 hde tratamiento.
Tasa de acumulacin de U en races de Brassica juncea y de Chenopodium amaranticolor.Los valores se expresancomo g U/g tejido seco.
Las races transformadas de ambas especies podran usarse como bioabsorbentes de uranio, para lo cual podran producirse a gran escala en biorreactores.
Tomado de: Eapen et al., Environmental Research, 2003.
Rizofiltracinde uranio usando cultivos de races de Brassica junceay Chenopodiumamaranticolor
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
B. junceaC. amaranticolor
Concentracin de U (M)
g
U
/
g
D
.
w
.
t
.
(
X
1
0
3
)
Empleada en tratamientos de contaminacin por: Herbicidas (atrazina, alaclor) Aromticos (BTEX: benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos) Alifticos clorinados (TCE: tricloroetileno; tetracloroetileno) Deshechos de nutrientes (NO3-, NH4+, PO43-) Deshechos explosivos (TNT; RDX: hexahidrotrinitrotriazina)
Depende de: Concentracin del compuesto disuelto en el suelo
Eficiencia de captura, que depende de:- las propiedades fsico-qumicas del compuesto- especie qumica- propiedades de la especie vegetal
Tasa de transpiracin, que depende de:- el tipo de planta- rea foliar- nutrientes- humedad del suelo- temperatura- viento- humedad relativa
Fitotransformacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
La fitotransformacin comprende los procesos de fitodegradacin y fitovolatilizacin
- Almacenamiento del producto (o de sus productos de .degradacin) va conjugacin o lignificacin
- Metabolizacin a distintos productos de degradacin- Volatilizacin por la transpiracin- Mineralizacin (CO2 + H2O)
Plantas tpicas empleadas en fitotransformacin:- Arboles freatfitos (lamo, sauce, lamo americano)- Pasturas (centeno, sorgo, festuca)- Leguminosas (trbol, alfalfa, caup)
Fitotransformacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Una vez translocado, el compuesto puede tener los siguientes destinos:
Fitodegradacin de compuestos orgnicos
Las plantas pueden desarrollar una serie de reacciones para metabolizar o mineralizar compuestos orgnicos
Completan la degradacin del TNT. Aparentemente involucradas en la incorporacin de fragmentos de anillos aromticos en la biomasa vegetal
Intervienen en la lignificacin y delignificacin por adicin de oxgeno
Lacasas
Procesan grupos cianidados de los anillos aromticos en herbicidas y otros compuestos cianidados
Detoxifican compuestos aromticos cianamidados naturales
Nitrilasas
Deshalogenan solventes clorinadosEstn vinculadas a la degradacin de subproductos de etileno durante la senescencia
Deshalogenasas
Empleadas en el tratamiento de aguas residuales para degradar fenoles
Degradan en forma no especfica compuestos fenlicos, lignina, y otros
Peroxidasas
Procesan grupos fosfato de pesticidas organofosfatados y de compuestos que afectan el sistema nervioso
Su rol es el procesamiento de fosfato durante el desarrollo
Fosfatasas
Reducen grupos nitrato en explosivos y otros compuestos nitroaromticos y remueven el nitrgeno del anillo aromtico
Su funcin es la reduccin de nitrato para obtener nitrgeno destinado al crecimiento celular
NitroreductasasAplicaciones en fitorremediacinRol naturalEnzimas
Tomado de: McCutcheon, PBI Bulletin, 1998.
Las tcnicas tradicionales se basan en la . incineracin o en utilizacin de microorganismos . e implican remocin del suelo
La alternativa frente a las tcnicas tradicionales fue . usar sistemas de fitorremediacin:
- Cultivos celulares de remolacha que degradan nitroglicerina (GNT)
- Plantas acuticas y cultivos de races que biotransforman. trinitroglicerina (TNT)
El xito fue limitado, ya que la GNT slo pudo ser . denitrificado a di- y mononitroglicerol; la remocin . completa de grupos nitratos no se logr nunca.
Adems, la degradacin de TNT produjo la . acumulacin de otra toxina: aminodinitrotolueno.
Otra desventaja es que las plantas captan y . metabolizan los compuestos nitrogenados 10 veces . ms lentamente que los microorganismos.
Contaminacin con explosivos
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
ADNT: aminodinitrotolueno;DANT: diaminonitrotolueno; TAT: triaminotolueno;TNT: trinitrotolueno
Rutas de degradacindel TNT mediante nitroreductasasy lacasasvegetales
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Tomado de: McCutcheon, PBI Bulletin 1998.
Crecimiento brotes de tabaco no transformado y transgnico(NR 3-2) en medio lquido.
Detoxificacinde TNT por plantas de tabaco transformadas con el gen de nitroreductasade Enterobactercloacae Crecimiento de plantas de tabaco no transformado y transgnicas (NR 3-2)
luego de la germinacin en medio conteniendo explosivos.
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Tomado de: Hannik et al., Nature Biotechnology, 2001.
Sin TNT TNT 0,25 mM
NT NR 3-2 NT NR 3-2
Sin TNT TNT 0,05 mM TNT 0,1 mM
NTNT NR 3-2NR 3-2 NTNT NR 3-2NR 3-2 NTNT NR 3-2NR 3-2
Crecimiento de races para brotes de plantas no transformadas (NT) y transgnicas (NR 3-2) luego de 21 das de exposicin a TNT
Detoxificacin de TNT por plantas de tabaco que expresan el gen de nitroreductasa de Enterobacter cloacae
e.s.= Error estndar Indice de tolerancia = longitud de las races de brotes tratados con TNT/longitud de las races de brotes control x 100
NT NR 3-2
TNT (mM)
Longitud de las races (cm e.s.)
0
0,05
0,1
8,1 0,1
5,5 0,6
0,2 3
68
100
Indice de tolerancia de las races (%)
8,1 0,1
6,2 0,9
5,5 0,9 68
77
100
Longitud de las races (cm e.s.)
Indice de tolerancia de las races (%)
Tomado de: Hannik et al., Nature Biotechnology, 2001.
Estudios de toxicidad de TNT en plantas no transformadas (NT) y transgnicas (NR 3-2)
Detoxificacin de TNT por plantas de tabaco que expresan el gen de nitroreductasa de Enterobacter cloacae
Tomado de: Hannik et al., Nature Biotechnology, 2001.
NT NR 3-2
TNT (mM)
Peso antes del TNT (g)
Peso despus del TNT (g)
Ganancia / prdida de peso (g)
0
0,1
0,25
11,37 0,17
11,2 0,14
11,59 0,01 7,59 0,19
11,3 0,02
-4,00 0,21
+0,13 0,15
+5,52 0,4516,9 0,28
Peso antes del TNT (g)
Peso despus del TNT (g)
Ganancia / prdida de peso (g)
11,08 0,05
11,4 0,95
11,93 0,18 13,95 1,20
14,65 0,07
-2,02 1,01
+3,24 0,88
+5,79 0,2316,88 0,18
Detoxificacin de RDX por plantas de Arabidopsis que expresan el gen XlpA de Rhodococcus rhodocochrous
El explosivo hexahidro 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazina (RDX) es txico para todo tipo . de organismos y un posible carcingeno. Su degradacin ambiental es muy lenta . y su presencia en suelos y napas de agua constituye un problema grave. El RDX es txico para las plantas. El hongo Phanerochaete chrysosporium y las . bacterias del gnero Rhodococcus son capaces de degradar RDX, pero no . desarrollan suficiente biomasa para ser utilizados en procesos de biodegradacin. La molcula responsable de la degradacin es un citocromo P450. Como prueba . de concepto, se aisl el gen de citocromo P450 XplA de Rhodococcus. rhodocochrous y se lo expres en plantas de Arabidopsis thaliana. Las plantas .. fueron utilizadas en ensayos de detoxificacin de suelos contaminados con RDX.
Tomado de: Rylott et al., Nature Biotechnology, 2006.
Ruta de degradacin de RDX por el citocromo P450 codificado por el gen XplA de R. rhodocochrous y ensayos de actividad realizados con protena expresada en E. coli. Los controles fueron realizados con protena sometida a 100oC.
4-nitro-2,4-diazabutanal
Tomado de: Rylott et al., Nature Biotechnology, 2006.
Caracterizacin de plantas transgnicas que expresan el gen XplA
a) Anlisis de Northern y Western blot de lneas de A. thaliana que expresan el gen XplA en forma constitutiva. b) Captacin de RDX de medio acuoso por plntulas de A. thaliana. Los resultados son el promedio de repeticiones de cinco experimentos.
Detoxificacin de RDX por plantas de Arabidopsis que expresan el gen XlpA de Rhodococcus rhodocochrous
Tomado de: Rylott et al., Nature Biotechnology, 2006.
Estudios en suelos contaminados con RDX empleando plantas wild type y transformadas con 35S::XPLA. Se cultivaron plantas de A. thaliana de 8 semanas de edad en suelo conteniendo
50, 250, 500 y 2000 mg de RDX/Kg de suelo. Se muestran las mediciones de biomasa (tallos y races) obtenidos en las diferentes condiciones experimentales (promedio de cinco ensayos).
Detoxificacin de RDX por plantas de Arabidopsis que expresan el gen XlpA de Rhodococcus rhodocochrous
Principales interconversiones del mercurio en el medio ambienteEl ciclo biogeoqumico del mercurio y de la biomagnificacinde metilmercurio
Agrobiotecnologa
FitorremediacinHg(0): mercurio elementalHg(II): mercurio inico libreRSHg: mercurio unido a azufreMeHg: metilmercurio
No se conocen plantas capaces de detoxificar Hg.
En cambio, existen microorganismos presentes en los sitios contaminados que poseen dos enzimas (organomercricoliasa, gen merB, y mercrico reductasa, gen merA) que permiten convertir metilmercurio en Hg elemental, detoxificado este metal.
Se transformaron plantas de Arabidopsis thaliana con los dos genes mencionados aislados de Desulfovibrio desulfuricans.
Expresinde los genes merA y mer Bde Desulfovibriodesulfuricansen plantas transgnicasde Arabidopsis thaliana
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
R-CH2-Hg+ + H+ R-CH3 + Hg(II)MerB
Hg(II) + NADPH Hg(0) + NAD+ + H+MerA
R-CH2-Hg+ + H+ R-CH3 + Hg(II)MerB
Hg(II) + NADPH Hg(0) + NAD+ + H+MerA
MerB: organomercrico liasaMerA: mercrico reductasa
Plantas NT y transgnicas creciendo en medios con mercurio orgnico.
Tasas de volatilizacin de Hg(0)en plantas control y en 6 lneas transgnicas de A. thaliana
0 M 1 M 5 M 10 M
merB merA/B-1 merA NT merB merA/B-1 merA NT merB merA/B-1 merA NT merB merA/B-1 merA NT
Tomado de: Bizily et al., Nature Biotechnology, 2000.
Fenotipos de resistencia a mercurio orgnico de plantas control y de 3 lneas transgnicas para merA/merB
p
g
H
g
(
0
)
.
m
i
n
-
1
/
m
g
d
e
t
e
j
i
d
o
Lneas de plantas
Expresinde los genes merA y mer Bde Desulfovibriodesulfuricansen plantas transgnicasde Arabidopsis thaliana
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
0 M PMA 5 M PMA
NT A/B-1 A/B-2 A/B-3A/B-1 A/B-2 A/B-3
A/B-4 A/B-5 A/B-6 A/B-4 A/B-5 A/B-6
NT
Fitorremediacin de organomercurialesva transformacin de cloroplastos (genes merAy mer B de Desulfovibriodesulfuricans) Efecto de la concentracin de acetato de fenilmercurio en el crecimiento de plantas de tabaco controles (NT) y transgnicas (5A y 9)
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Tomado de: Ruiz et al., Plant Physiol., 2003.
Co
nce
ntracin
de PM
ANT 5A 9
Se transformaron cloroplastos de tabaco con dos versiones de esta construccin con y sin regin 3 no traductible (3 UTR) portando el opern MerAB
16S trnI aadAaadA merBmerB trnA
P 3UTR
merA
Aumento de la acumulaciny tolerancia a selenio en plantas transgnicasde Arabidopsisque expresanla enzima selenocistena liasa I de ratn
La toxicidad del selenio (Se) se debe a la . incorporacin inespecfica de selenocistena . (Se-Cys) a las protenas.
Estrategia:Expresar el gen de la selonocistena liasa de ratnen citoplasma y cloroplastos de Arabidopsis thaliana
Se-Cys Se elemental + alaninaSe-Cys liasaAgrobiotecnologa
Fitorremediacin
Aumento de la acumulaciny tolerancia a selenio en plantas transgnicas de Arabidopsisthaliana
Incorporacin de Se a protenasen brotes de Arabidopsis thaliana no transgnicas (NT) y transgnicas (citoslicas y plastdicas)
Toleranciaa Se-Cys
selenato y selenito de
brotes de Arabidopsis
no transgnicosy transgnicos.
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
cyt SL cp SL
Control
50 M Se-Cys
25 M SeO2-3
50 M SeO2-4
L
a
r
g
o
d
e
r
a
c
e
s
(
m
m
)
Control
50 M Se-Cys
25 M SeO2-3
50 M SeO2-4
Tomado de: Pilon et al., Plant Physiol., 2003. NT
g
S
e
g
p
r
o
t
e
i
n
-
1
cit SL cp SL
g
S
e
g
p
r
o
t
e
i
n
-
1
cit SL cp SLNT
Las plantas proveen el hbitat para el incrementoen el tamao y actividad de poblaciones microbianas.
Los exudados vegetales estimulan lastransformaciones efectuadas por las bacterias (induccin enzimtica).
La sntesis de carbn orgnico aumenta la tasade mineralizacin microbiana (enriquecimiento de sustrato).
El oxgeno que difunde con las races asegura un medio adecuado para las transformaciones
. aerbicas.
Los hongos micorrticos asociados a las races vegetales metabolizan contaminantes orgnicos.
Fitoestimulacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Empleado en el tratamiento de contaminacin orgnica causada por pesticidas (atrazina), compuestos
. aromticos, e hidrocarburos aromticos policclicos
. (PAHs)
Se basa en la liberacin por la planta de exudados entre los que se incluyen:
- cidos orgnicos de cadena corta- compuestos fenlicos- bajas concentraciones de enzimas y pptidos
Plantas tpicas empleadas en fitoestimulacin:
- Liberadoras de compuestos fenlicos (mora, manzano, Maclura pomfera)
- Pastos con races fibrosas (centeno, festuca)para contaminantes hasta 1 metro de profundidad
- Arboles freatfitos para contaminantes hasta 3 metros de profundidad
- Plantas acuticas para sedimentos
Fitoestimulacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
Empleada en el tratamiento de contaminacin por:
- Metales (Pb2+, Cd2+, Zn2+, As2+, Cu2+, Se2+, U)- Compuestos orgnicos hidrofbicos: hidrocarbonos
aromticos policiclcos (PAHs), bifenilospoliclorados (PCBs), dioxinas, furanos, pentaclorofenol, DDT, dieldrina
Caractersticas deseables en la planta:- Debe tolerar altos niveles de metales txicos- Debe inmovilizar los metales va captura
y posterior precipitacin y reduccin- Debe acumular bajas concentraciones en las
races
Plantas tpicas empleadas en fitoestabilizacin:- Arboles freatrfitos que transpiren grandes
volmenes de H2O- Pastos con races fibrosas que estabilicen
la erosin del suelo- Plantas con sistemas radiculares robustos
capaces de absorber/unir contaminantes
Fitoestabilizacin
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin
1. Pilon-Smits. Phytorremediation. Annual Review of Plant Biology, 56:15-39. 2005.
2. Eapen and DSouza. Prospects of genetic engineering of plants for phytoremediation of toxic metals. Advances in Biotechnology, 23:97-114, 2005.
3. Mejre, M. and Bulow, L. Metal binding proteins and peptides in bioremediation and phytoremediation of heavy metals. Trends in Biotechnology, 19:67-73, 2001.
4. Kovalchuk, O., Titov, V. Hohn, B. and Kovalchuk, I. A sensitive trangenic plant system to detect toxic inorganic compounds in the environment. Nature Biotechnology, 19:568-572, 2001.
5. Salt, D. E., Smith, R.D., and Raskin I. Phytoremediation. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 49:643-668, 1998.
6. http://www.hawaii.edu/abrp/Technologies
7. http://www.envirotools.org/factsheets/phytoremediation.shtml
Referencias
Agrobiotecnologa
Fitorremediacin