BIORREMEDIACIN: uso de microorganismos y plantas para eliminar problemas de contaminacin

Contaminacin ambientalTipos de contaminantes:

ORGNICOS

INORGNICOSXenobiticos (PCBs, policlorodixinas)Derivados petrleo y su tratamiento (PAHs)TNT, colorantes azoicos, etc.Metales pesadosRadioncleosCompuestos organometlicos

Marea negra causada por la rotura del Prestige frente a la costa de Galicia. Imagen del satlite Radarsat

Marea negra del Prestige Fotografa La Voz de Galicia

Balsa de almacenamiento de alpechn en una industria productora de aceite (Jan)

Contaminacin por prcticas agrcolas

Fertilizantes

Fungicidas (Cu)

Herbicidas

Plaguicidas

Contaminacin por metales pesados

Corta de los frailes. Explotacin minera a cielo abierto de Aznalcllar, Sevilla.

Algunas cifras sobre contaminacinLa contaminacin est ampliamente extendida en el este de Europa y sobre todo crece en la India (Meharg, 2004) y China (Cheng, 2003).

El coste mundial de restauracin de suelos contaminados fue de 50 billones de dlares en 2003Algunas cifras sobre contaminacinLa Agencia de Proteccin Medioambiental de los USA (US EPA) estima unas 500.000 localizaciones contaminadas en este pas. Resumen de sitios contaminados en Estados Unidos. NPL: National Priorities List, DOD (Departamento de Defensa), DOE (Departamento de Energa), VOCs (Compuestos Orgnicos Voltiles), SVOCs (Compuestos Orgnicos Semivoltiles).

Programa de RemediacinNmerode sitioscontaminadosVOCs (%)Metales (%)SVOCs (%)Sitios Superfund (NPL)456787771Sitios DOD9.000647257Sitios DOE6.400385538

Algunas cifras sobre contaminacinEn Espaa hay 4.532 localizaciones contaminadas(BOE n 15, 18 de enero de 2005).

MECANISMOS DE TOXICIDAD DE ARSNICO Y METALES PESADOSInterferencia en el metabolismo de iones

Unin a enzimasUnin a ADN

Reacciones oxidativas (ROS)

Soluciones tradicionales a problemas de contaminacinTCNICAS FSICO-QUMICAS O TRADICIONALESFsicas: Generalmente implican traslado de suelos

Lavado de suelos Aireacin oxidativaLandfilling

Qumicas

Correctores de pH (Adicin de carbonatos)Adicin de agentes quelantesAdicin de floculantes/solubilizadores para compuestos orgnicos

ATENUACIN NATURAL: lenta

Lavado de suelos

LandfillFases de un proceso de landfill a) Retirada de los residuos.b) Construccin de una balsa de almacenamiento.c) Cubierta de suelo y revegetacin.

LIMITACIONES DE LAS TCNICAS FSICO-QUMICAS DE RESTAURACIN DE SUELOS

CarasImplican gran cantidad de maquinariaTraslado de suelosNo ecolgicas y agresivas para los suelosPara algunos contaminates no hay tcnicas disponibles

TCNICAS BIOLGICAS: BIORREMEDIACIN

BIORREMEDIACIN: Uso de microorganismos (hongos y bacterias)

FITORREMEDIACIN: Uso de plantas

RIZORREMEDIACIN: Interacciones rizosfricas suelo-planta--microorganimos en la lucha contra la contaminacin

COSTE ESTIMADO POR TONELADA DE SUELO PARA LA REMEDIACIN DE UN SUELO CONTAMINADO POR METALES PESADOS USANDO DIFERENTES TECNOLOGIAS, (tomado de Glass, 1999).

TRATAMIENTOCOSTE (DLARES/ TON. DE SUELO)COSTES EXTRA (DLARES/ TON. DE SUELO)

VITRIFICACIN75-425SEGUIMIENTO A LARGO PLAZOLANDFILL100-500TRANSPORTE/ EXCAVACIN/LANDFILL/SEGUIMIENTOTRATAMIENTO QUMICO100-500RECICLADO DE LOS CONTAMINANTESELECTROQUMICA20-200SEGUIMIENTOFITOEXTRACCIN5-40SEGUIMIENTO

VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA FITORREMEDIACIN

VENTAJASINCONVENIENTESBasada en la energa solarLimitada a la zona superficial del suelo donde se desarrollan las racesAplicacin in situBiodisponibilidad y toxicidad de los contaminantes desconocidaTecnologa pasivaHiperacumulacin de contaminantes txico para la plantaBajo costeRiesgo de entrar un contaminante en la cadena trficaAceptacin pblicaRiesgo de movilizacin de contaminantes a aguas subterrneasMs rpida que la atenuacin naturalMs lenta que otros tratamientosLos suelos se pueden reutilizarConcentracin muy alta de contaminantes impide el crecimiento de las plantas

BiorremediacinMicroorganismos (bacterias y hongos)Gran capacidad de mutacin y adaptacinGran versatilidad metablicaResistencia a gran nmero de txicos (genes de resistencia en elementos mviles=plsmidos)

Bacterial degradation of aromatic pollutants: a paradigm of metabolic versatility.Daz, (2004). Int. Microbiol., 7:173180.

Ejemplos de biorremediacin : biodegradacin de compuestos halogenados (PCBs, policlorodioxinas,etc.) por bacterias

Degradacin de compuestos aromticos

Hidroxilacin (hidroxilasas)Rotura del anillo (dioxigenasas)Rotura en ortoRotura en metaAcetil-CoA + succinatoAcetil-CoA + piruvatoCiclo de KrebsBiodegradacin aerbicade compuestos fenlicosCATECOL

MECANISMOS DE RESISTENCIA A METALES PESADOS EN PROCARIOTASMecanismo pasivo:adsorcin a polisacridos y protenas de la pared bacteriana o cpsula (bioadsorcin)Mecanismos activos:Bioprecipitacin: en forma de sulfuros metlicosVolatilizacin de Hg(0)Complejacin con agentes quelantes (cidos orgnicos, aminocidos, etc.)Expulsin al exterior de la clula mediante transportadores especficos (gasto de energa ATP)

MECANISMOS DE RESISTENCIA A METALES EN PROCARIOTAS

ORGANIZACIN DE LOS OPERONES DE RESISTENCIA A ARSNICOArsenate reductase

ORGANIZACIN DE LOS OPERONES DE RESISTENCIA A PLOMORalstonia metalliduransPermeasaReguladorATPasaLipoprotena de membranaPeptidasaProtena deunin a Pb

ORGANIZACIN DE LOS OPERONES DE RESISTENCIA A COBREARNasa T2PosibleProtenacopAcopCcopBcopD

Peptidos seal

Dominuios conservados

Motivos involucrados en unin a cobre:

Alto % de H y M (MXXXMXM)(MXXM)(MXXXMDHXXM)(HCHLLYHM)Dominios transmembrana de CopD CARACTERIZACIN MOLECULAR DE LA RESISTENCIA A COBRE DE LA CEPA PSEUDOMONAS SP. AZ13

Mecanismo de resistencia a Cu en bacterias gram negativasCu2+ (exterior)Cu2+Cu+Interior (Chaperonas)

merAHg0ORGANIZACIN DE LOS OPERONES DE RESISTENCIA A MERCURIO Y COMPUESTOS ORGANOMERCURIALESmerB: Detoxificacin de compuestos organomercuriales (cancergenos, neurotxicos)

Otros mecanismos de resistencia a metales pesados en bacteriasVolatilizacin (metilacin de As, Hg)Bioprecipitacion (bacterias reductoras de sulfato)Bioadsorcin (sobre el polisacrido, cpsula o pared bacteriana)Complejacin

Mecanismos de resistencia a contaminantes en plantas: contaminantes inorgnicosEl metal entra en las clulas de la razSe compleja con agentes quelantes: FitoquelatinasMetalotionenasGlutatinHistidinacidos orgnicosNicotinamidaEl complejo metal-quelato se almacena en la vacuolaTambin se puede almacenar en la pared celularOtra parte pasa al apoplasto y al xilema y se acumula en la parte area

Mecanismos de resistencia a contaminantes en plantas: contaminantes orgnicosModelo de hgado verde (green liver model), 3 fases:Modificacin enzimtica (formacin de grupos reactivos: -OH, -SH) Conjugacin a glutatinSecuestro del complejo glutatin-xenobitico en la vacuola o a la pared celularGeneralmente no hay degradacin completa (mineralizacin)

FITORREMEDIACIN

Fitoextraccin las plantas toman los metales del suelo y los acumulan en grandes cantidades en la parte area, la cual es cosechada y retirada a un lugar adecuado. Utiliza plantas hiperacumuladoras.

2. Fitoestabilizacin pretende reducir la movilidad de los contaminantes en el suelo, y que no alcancen la cadena trfica y los acuferos. Las plantas no hiperacumualdoras tolerantes acumulan el metal en la raz o lo estabilizan en la rizosfera.

3. Fitoestimulacin- inoculacin de las plantas con microorganismos que degradan compuestos xenobiticos. La degradacin ocurre en la rizosfera de las plantas.

4. Fitodegradacin las plantas toman los contaminanates orgnicos y la degradacin se produce dentro de la planta.

5. Fitovolatilizacin las plantas toman compuestos qumicos voltiles y los evaporan a travs de la corriente transpiratoria. Puede aplicarse a metales (Hg, Se) y a compuestos orgnicos voltiles.

6. Rizofiltracin las plantas absorben compuestos txicos del agua por las races. Es para depuracin de aguas, no de suelos. Tcnicas de fitorremediacin

Fitovolatilizacin de SeSeO42-, SeO32-SelenocistenaSelenometioninaSe(CH3)2Se2(CH3)2

Fitoextraccin de metales pesados

Fitoextraccin de metales pesadosPlantas hiperacumuladoras:Acumulan hasta un 1% del peso seco en metalAcumulan preferentemente en la parte areaNo muestran sntomas de toxicidad

Plantas no hiperacumuladoras:Acumulan preferentemente en las racesNo acumulan cantidades excesivamente elevadasPueden tolerar los metalesA altas concentraciones muestran sntomas de toxicidad

Acumulacin de Ni (hasta un 25% del peso seco del ltex) en el ltex de plantas hiperacumuladoras,

Sebertia acuminata Euphorbia helenae spp. Grandiflora, c) Recoleccin de ltex de Euphorbia helenae spp. Grandiflora.Plantas hiperacumuladoras

Tlaspi caerulescens: una hiperacumuladora modeloAcumula hasta 40.000 ppm Zn1.000 ppm CdSin mostrar sntomas de toxicidadEstudios del mecanismo de hiperacumulacin:Pence y col., (2000), PNAS, 97: 4956-4960Ingle y col., (2005), The Plant Cell, 17: 2089-2106Pteris vittata, un helecho chino acumula hasta 23.000 ppm As en los frondes

Ma y col., 2001, Nature, 409: 576-578

PROTECCIN FRENTEA HERBVOROS

Plantas de Berkeya codii cultivadas en ausencia y en presencia de Ni. La acumulacin de grandes cantidades de Ni en los tejidos protege a la planta de ser comida por herbvoros, debido al mal sabor. Esto se considera que podra ser una de las ventajas que obtendran las plantas hiperacumuladoras.

Rizofiltracin: girasoles para la remediacin del desastre de Chernobyl Las plantas se cultivaron sobre plataformas en el agua del reactor: acumulaban elementos radiactivos comoestroncio, cesio, etc.

Fitodegradacin de pesticidas utilizando el jacinto de aguaWater hyacinth (Eichhornia crassipes) o jacinto de agua es capaz de eliminar 69% de fosfopesticidas (etin) en 1 semana. Las bacterias contribuyeron tambin a la degradacin en un 12%. (Xia y Ma, 2006).

Fitodegradacin de tetracloroetileno (TCE), uno de los compuestos ms recalcitrantes, por lamos A MASS BALANCE FIELD TRIAL OF CARBON TETRACHLORIDE PHYTOREMEDIATION USING POPLAR: PHYTODEGRADATION IS THE LIKELY FATE Michael Dossett1, and Xiaoping Wang2, and Stuart E. Strand3

Remediacin de suelos salinosSalicornia es capaz de almacenar sal en las vacuolas.La regeneracin de suelos salinos utilizando plantas se llamaFITODESALINIZACIN

INTERACCIN BENEFICIOSA PLANTA-MICROORGANISMO PARA LA ELIMINACIN DE CONTAMINANTES RIZORREMEDIACINBacterias y hongos se desarrollan en la rizosfera Exudados radiculares incrementan la poblacin microbiana en la rizosfera (102-104)Degradan contaminantes orgnicos y movilizan o adsorben metales pesadosLos metales pesados pueden ser absorbidos por la plantaPGPRs

PGPRs y fitorremediacinSeleccin de bacterias rizosfricas resistentes a contaminantesCon propiedades de adsorcin de metales o degradacin de xenobiticosCon propiedades PGP (produccin de siderforos, auxinas, degradacin de etileno, solubilizacin de fosfato)

REDUCEN EL ESTRS DE LA PLANTADISMINUYEN LA ACUMULACIN DE TXICOSAUMENTAN LA PRODUCCIN EN SUELOSCONTAMINADOS

Ingeniera gentica paramejorar la BiorremediacinModificacin gentica de microorganismos: Transferencia de genes de degradacin de toluenoBarac y col., (2004), Nat. Biotecnol., 22: 583-588.ENDEGRADERToluenoCO2 + H2OLAS PLANTAS DE ALTRAMUZ COLONIZADAS POR EL ENDOFITO MINERALIZAN COMPLETAMENTE EL TOLUENO HASTA CO2 Y H20

Otros ejemplos de modificacin gentica de microorganismos para detoxificacin de metales Rizorremediacin de Cd: transformacin de Ralstonia metallidurans con un gen de metalotionena expresado en la superficie de la pared celularValls y col., (2000), Nat. Biotecnol., 18: 661-665 C Rm Rm GMProteccin de plantas de tabaco frente a toxicidad por Cd

Modificacin gentica de plantas para su uso en fitorremediacinIntroduccin de genes bacterianosPotenciacin de los propios mecanismos de resistencia de las plantasCombinacin de ambosTargeting subcelular

Construccin de plantas transgnicas para su uso en FitorremediacinIntroduccin de genes de resistencia a Hg bacterianos (merA y merB) en chopos (Rugh y col., (1998), Nature, 16: 925-927).

Potenciacin de los mecanismos de resistencia de las propias plantasSobreexpresin de enzimas de la ruta de fitoquelatinas:

-ECS (Zhu y col.,1999 a) PC (Zhu y col., 1999 b)

OASTL (Domnguez-Sols y col., 2003)

Sobreexpresin de metalotionenas (Rodrguez-Llorente et al., 2010)

Resumen de algunos genes expresados en plantas para incrementar su resistencia a metales pesados

GenProductoOrigenDianaEfecto mximo observadoamerAHg(II) reductasaBacteria Gram-negativaLiriodendrom tulipiferaNicotiana tabacum50 mol L-1 HgCl2; 500 mg HgCl2 Kg-1V: incremento de 10 veces en la volatilizacin de HgmerAHg(II) reductasaBacteria Gram-negativaArabidopsis thalianaT: 10 mol L-1 CH3HgCl (>40 veces)merBOrganomercurialliasaBacteria Gram-negativaA. thalianaV: ms de 59pg Hg(0) mg-1 de biomasa fresca min-1APS1ATP sulfurilasaA. thalianaB. junceaA: incrementa dos veces la concentracin de SeMT-1MTRatnN. tabacumT: 200 mol L-1 CdCl2 (20 veces)CUP1MTSaccharomyces cerevisiaeB. oleraceaT: 400 mol L-1 CdCl2 (aprox. 16 veces)gsh2GSH sintasaE. coliB. junceaA: concentraciones de Cd 125%gsh1-Glu-Cys sintasaE. coliB. junceaA: concentraciones de Cd 190%NtCBP4Canal de cationesN. tabacumN. tabacumT: 250 mol L-1 CdCl2 A: conc. de Pb 200%ZAT1Transportador de ZnA. thalianaA. thalianaT: ligero incrementoTaPCS1PCTrigoNicotiana glauca R. GrahamA: concentraciones de Pb 200%

Doble transgnica: ArsC y -ECS

(Danker y col., (2002), Nature Biotecnology, 20: 1140 -1145)Combinacin de genes bacterianos y fitoquelatinas

Targeting subcelularImportancia de la localizacin subcelular donde se expresan los genes

Dirigir la localizacin subcelular mediante promotores especficos o pptidos sealSubcellular Targeting of Methylmercury Lyase Enhances Its Specific Activity for Organic Mercury Detoxification in PlantsBizily y col., (2003) Plant physiol., 131: 463-471.

Engineering a Catabolic Pathway in Plants for the Degradation of 1,2-Dichloroethane(Mena-Bentez et al., 2008)Ingeniera gentica para completar una ruta de degradacin en plantas

Cul es el hecho ms importante de la fitorremediacin?6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2luzbiomasa

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