Proiect-brd-alina.docx

UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRICOLE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ CLUJ–NAPOCA

Facultatea de zootehnie şi biotehnologii Departamentul: Biotehnologii Disciplina: Biotehnologii de Remediere a Deseurilor

CONSTANTINOV ALINA

FITOTRANSFORMAREA

Îndrumător ştiinţific: Sef lucr. Dr. Cristina El Mahdy

CLUJ-NAPOCA 2019

ABSTRACT Fitodegradarea (denumită și fitotransformare) utilizează plante sau microorganisme pentru a degrada poluanții organici în sol sau în corpul plantei. Compușii organici sunt descompuși prin enzimele pe care rădăcinile plantelor le secretă și aceste molecule sunt preluate apoi de plante și eliberate prin transpirație. Acest proces funcționează cel mai bine cu contaminanți organici, cum ar fi erbicide, tricloretilenă și metil terț-butil eter. Fitoremedierea se transformă într-un mijloc eficient de a gestiona deșeurile, în special hidrocarburile petroliere în exces, hidrocarburile aromatice policiclice, explozivii, materia organică și substanțele nutritive. Sunt testate diverse aplicații pentru curățarea solului, a apei și a aerului contaminat. Au fost descoperite o serie de procese botanice importante, incluzând fitoextracția și hiperacumularea din sol, degradarea microbiană a hidrocarburilor în sol, utilizarea unor procese enzimatice specifice implicate în tratarea zonelor umede etc. Metabolismul plantelor care utilizează energia soarelui și dioxidul de carbon atmosferic pentru producerea de materii organice este total diferit față de respirația microbiană heterotrofică care necesită energie, carbon și nutrienți din sol sau apă. Ca rezultat, transformarea, conjugarea și sechestrarea plantelor verzi reprezintă instrumente noi de gestionare a deșeurilor care sunt clasificate împreună cu metodele de control vegetativ al poluanților pentru a gestiona urmele și solul contaminat. În plus, acest capitol evidențiază mai mult presiunea necesităților de cercetare și dezvoltare. CUVINTE CHEIE: fitoremediere, fitotransformare, fitodegradare, xenobiotice, bacterii endofitice, poluanti, metale grele

INTRODUCERE Extinderea zonelor afectate de activităț ile miniere ș i a celor contaminate cu metale grele, face aplicarea tehnologiilor tradiț ionale ca fiind inadecvate, datorită costurilor ridicate asociate cu remedierea solurilor ș i cu potenț ialul impact asupra mediului, î n special modificarea peisajului ș i a proprietăț ilor solurilor agricole (Bacchetta ș i colab.2012). În urmă cu trei sute de ani plantele au fost propuse pentru decontaminarea apelor uzate (Hartman, 1975, citat de Lasat, 2002).

La î nceput, cercetările s-au concentrat asupra bacteriilor, având î n vedere reacț iile catabolice mediate de enzimele bacteriene. Primele investigaț ii î n remedierea cu ajutorul plantelor s-au confruntat cu unele opinii care spuneau că dacă remedierea unui contaminant nu se poate realiza cu ajutorul bacteriilor ce prezintă o gamă variată de enzime catabolice cu siguranț ă nu se poate realiza nici cu ajutorul plantelor (Fletcher 2006). Caracteristicile unice de remediere ale plantelor sunt uș or de ilustrat, strategii comune î n tratarea solurilor contaminate: 1) imobilizare, 2) î ndepărtare, 3) distrugere. Îndepărtarea metalelor toxice din sol contaminat se realizează atunci când ionii anorganici sunt captaț i de către rădăcina plantei ș i translocate prin tulpină către partea supraterană a plantei.

Fig.1. Reprezentarea schematică a mecanismelor de fitoremediere (Neagoe A.2010, adaptare după Shilev ș i colab, 2009)

Multe tehnici de remediere au fost utilizate pentru a răspunde numărului tot mai mare al solurilor contaminate cu metale grele (Cholpecka ș i colab.1996; Cunningham 1996; Cunningham ș i colab.1995). Mojoritatea metodelor tradiț ionale precum incinerarea, vitrificarea sau acoperirea terenurilor sunt extrem de costisitoare (Pulford ș i Watson 2003; Mulligan ș i colab.2001, ). O tehnologie promiț ătoare ș i relativ nouă pentru remedierea solurilor contaminate cu metale grele este fitoremediere. Un avantaj al celor mai simple tratamente biologice este potenţ ialul lor de a fi cost-efective, deş i poate fi necesar un tratament de lungă durată. Prezenţ a unor contaminanţ i cum ar fi pesticidele sau metalele grele, totuş i, poate inhiba eficacitatea tratamentelor biologice. O problemă î n plus, este posibilă crearea a unor produş i intermediari periculoş i. Este disponibil un domeniu larg de procese de biodegradare ş i metodele de clasificare variază. Ultima etapă este de a mineraliza complet contaminanţ ii, transformându-i î n dioxid de carbon, apă ş i compuş i simpli, anorganici. Problema de interes î n aplicarea tehnicilor de remediere este costul acestora. Fitodegradarea (fitotransformarea) constă î n preluarea, metabolizarea ş i degradarea contaminanţ ilor î n interiorul plantelor (Neagoe, 2010), sau degradarea contaminanţ ilor î n sol, sediment, nămol, apa subterană sau apa de suprafaţ ă, cu ajutorul enzimelor produse ş i eliberate de către plante.

CUPRINS Fitotransformarea, denumită și fitodegradare, reprezintă degradarea poluanţ ilor organici aflaţ i î n exteriorul plantei sub efectul compuş ilor produş i de plantă (de ex., unele enzime ca: dehalogenaze, nitratreductaze, peroxidaze, lactaze, nitrilaze) sau degradarea poluanţ ilor organici, asimilaţ i de plante, prin intermediul proceselor lor metabolice. În acest ultim caz,

poluanţ ii organici complecş i sunt degradaţ i la molecule similare cu ale plantelor, care pot fi î ncorporate î n ţ esuturile acestora (Neagoe, 2010; Khan ș i colab.,2000). Absorbția directă a substanțelor chimice în țesutul vegetal prin intermediul rădăcinei depinde de eficiența absorbției, de viteza de transpirație și de concentrația substanței chimice în apa din sol. Eficiența absorbției depinde de speciile chimice, de proprietățile fizice / chimice și de caracteristicile plantelor, în timp ce viteza de transpirație depinde de tipul plantei, suprafața frunzelor, nutrienții, umiditatea solului, temperatura, condițiile de vânt și umiditatea relativă. Două procese de remediere pot apărea după ce compușii organici au fost translocați de către instalație: (1) depozitarea chimicalelor și a fragmentelor lor în instalație prin lignificare; și (2) conversia completă la dioxid de carbon și apă. Eliberarea contaminanților volatili în atmosferă prin transpirație a plantelor, numită fitotilizare, este o formă de fitotransformare. Deși transferul de contaminanți în atmosferă poate să nu atingă obiectivul de remediere completă, pot fi de dorit fitolazolarea prin faptul că expunerea prelungită a solului și riscul de contaminare a apei subterane sunt reduse. Fitotransformarea poate fi utilizată pentru a remedia locurile contaminate cu compuși organici. Anumite enzime produse de plante sunt capabile să descompună și să transforme solvenți clorurați (de exemplu, tricloretilenă), deșeuri de muniție și erbicide. De asemenea, această tehnologie poate fi utilizată pentru a elimina contaminanții din zonele petrochimice și zonele de depozitare, scurgerile de combustibil, levigatele de depozitare și substanțele chimice agricole. Implementarea eficientă a acestei tehnologii necesită ca compușii transformați care se acumulează în cadrul plantei să fie netoxici sau semnificativ mai puțin toxici decât compușii de bază. În unele aplicații, fitotransformarea poate fi utilizată împreuna cu alte tehnologii de remediere sau ca tratament de lustruire. Această tehnologie necesită de obicei mai mult de un sezon de creștere pentru a fi eficientă. Solul trebuie să fie mai mic de 1 metru în adâncime și apa subterană în limita a 3 metri la suprafață. Contaminanții pot intra în lanțul alimentar prin intermediul animalelor sau insectelor care mănâncă materii vegetale. Pot fi necesare modificări ale solului, inclusiv agenți de chelatare pentru a facilita absorbția plantelor prin ruperea legăturilor care leagă contaminanții de particulele de sol. Au fost efectuate mai multe studii de laborator și de teren. S-a demonstrat că tricloretilena (TCE) este transformată în tricloroetanol, acid tricloroacetic și acid dicloroacetic de către copacii de plopi hibrizi, fiind observată o mineralizare parțială a TCE în CO2. Un alt studiu a arătat că atrazina din pesticide a fost transformată în amelină fără nici o mineralizare la CO2.

Demonstrații pentru investigarea remedierii metalelor grele și a contaminanților organici mai sunt încă în curs de desfășurare. În natură, plantele îndeplinesc în mod obișnuit acest fenomen de fitotransformare pentru a neutraliza poluanții solului și, în plus, această proprietate ar putea fi îmbunătățită cu ajutorul endofilelor. Majoritatea bacteriilor endofitice, fungilor, actinomicidelor și până la o anumită măsură - a algelor, sunt explorate pe scară largă pentru contribuția lor la viața plantelor, în fitotransformare (Shakoor și colab., 2017). În prezent, poluanții organici persistenți, cum ar fi pesticidele, explozivii, produsele secundare industriale și alte xenobiotice, sunt principala sursă de stres abiotic. Rolul endofiților bacterieni în metabolismul xenobioticelor toxice a fost deja descris cu succes în fitotransformarea toluenului și a altor poluanți organici în metaboliți intermediari care ar putea fi utilizați eficient atât de plante, cât și de microorganisme interacționate asociate (Aken și colab., 2010). Burkholderia fungorum, o tulpină bacteriană prezentă în general în țesutul rădăcinilor de plop, a fost izolată din descărcarea rafinăriilor de petrol care a avut capacitatea de a transforma dibenzotiofenul, fenantrenul, naftalina, fluorul și îndepărtarea acestora (Andreolli colab., 2013). Prosopis juliflora a fost descoperită hrănind specii bacteriene endofitice cum ar fi Aerococcus, Bacillus și Staphylococcus, care a fost confirmată prin analiza filogenică a secvenței genelor 16S rRNA. A fost evaluată capacitatea de ionizare a metalelor grele toxice cum ar fi cromul, cadmiul, cuprul, plumbul și zincul, împreună cu capacitatea de a promova creșterea plantelor atunci când au fost inoculate în Lolium multiflorum L. (Khan și colab., 2015). Patru plante diferite, Achillea millefolium, Dactylis glomerata, Solidag ocanadensis și Trifolium aureum, au reușit să crească în apă contaminată cu petrol. Mai târziu s-a constatat că sunt aproximativ 190 de specii bacteriene endofitice care susțin aceste plante în fitotransformarea hidrocarburilor. Secvența 16S din rADN, a arătat prezența Microbacterium foliorum și Plantibacter flavus în toate plantele (Lumactud și colab 2016). Fungusul endofit contribuie, de asemenea, la fitotransformarea contaminanților ca endofitele bacteriene, și îmbunătățește capacitatea plantelor de a suporta stresul ecologic. Aminarea stresului indus de acumularea de sare a fost realizată de o GA care produc ciuperca endofitică basidiomicetuoasă Porostereum spadiceum (Hamayun colab., 2017). Există multe alte ciuperci endofitice care îndeplinesc funcții similare ca: Penicillium minioluteum, P. funiculosum, Metarchizium anisopliae, Beauveria bassiana, Mucor sp. (Khan colab. 20011a, b, Greenfield și colab 2016, Zahoor și colab 2017).

Utilizarea plantelor capabile de îndepărtarea poluanților organici (cum ar fi cloracetanilida, TNT, TCE, altzina, etc.) prin fiziodegradare este o opțiune importantă pentru fitoremeiere (Burken și Schnoor 1997, Newman și colab., 1997; Collins și colab., 2002; Kassel et al., 2002). În acest proces, enzimele din plante acționează ca poluanți organici și mineralizează fie complet compușii anorganici cum ar fi CO2, apă și Cl2, fie parțial în intermediari stabili care sunt depozitați în plante (McCutheon și Schnoor 2003). Unele dintre clasele importante de enzime implicate în fitodegradarea poluanților organici sunt peroxidazele, peroxigenazele, laccazele, fosfatazele, nitroreductazele și dehalogenazele. Microorganismele endofitice sunt, de asemenea, frecvent implicate în fiziodegradarea (Barac et al., 2004). S-au obținut deja plante transgenice cu capacitate crescută de degradare a poluanților organici cum ar fi cloracetanilida și TNT (Gullner și colab., 2001, Hennink și colab., 2001). Pentru a institui toleranța plantelor la TNT, două enzime bacteriene (PETN reductaza și nitroreductaza), capabile să reducă TNT în compuși mai puțin dăunători, s-au suprapus exprimate în plante de tutun. Cele două gene onr și nfsl, sub controlul unei promovări constuitive, au oferit plantelor transgenice o toleranță crescută la TNT la concentrații care afectează grav dezvoltarea plantelor WT (French et al., 2009). Un alt candidat bun pentru îmbunătățirea potențialului de fitoremediere al plantelor este citocromul P450 2E1 al mamiferelor. Acest citocrom oxidează o gamă largă de compuși incluzând TCE și dibromura de etilenă (EDB). Plantele transgenice de tutun care supraexprimă P450 2E1 uman au avut ca rezultat metabolizarea îmbunătățită a TCE și EDB (Doty și colab., 2000). Într-un alt studiu, două specii de CD4 umană P450 au fost introduse în celulele de tutun prin transformarea mediată de Agrobacterium și testate împotriva metabolizării cu atrazină. Culturile transgenice au fost capabile să producă cantități mai mari de metaboliți nonfitotoxici (metaboliți primari oxidați decât culturi netransformate) (Bode et al., 2004). În ultimii ani, unele plante de cultură au fost, de asemenea, modificate genetic, cu gene de citocrom P450 la mamifere pentru a conferi rezistență la erbicide (Okhawa și Imaishi 1999; Inui și colab., 2001). Astfel de plante transgenice metabolizează substanțele chimice exogene și prezintă toleranță încrucișată la diferite clase de erbicide. Plantele cu toleranță încrucișată pot fi utilizate în sistemele de rotație a erbicidelor, pentru a evita sau a întârzia oglindirea buruienilor rezistenți la erbicide. De asemenea, este de așteptat ca aceste plante modificate să reducă încărcătura mediului înconjurător de substanțe chimice agricole pe terenurile agricole (Yamada et al., 2002, Kawahigashi et al., 2003). Toate aceste studii indică faptul că instalațiile de inginerie cu

activități enzimatice mai mari implicate în etapele de limitare a vitezei pot fi importante pentru îmbunătățirea eficienței fiziodegradării poluanților organici.

CONCLUZIE Fitotransformarea are ca rezultat modificarea chimică a substanțelor din mediul înconjurător ca urmare directă a metabolismului plantelor, ceea ce duce deseori la inactivare, degradare (fitodegradare) sau imobilizare (fitostabilizare). În cazul poluanților organici, cum ar fi pesticidele, explozivii, solvenții, substanțele chimice industriale și alte substanțe xenobiotice, anumite plante, cum ar fi Cannas, fac aceste substanțe nontoxice prin metabolismul lor. În alte cazuri, microorganismele care trăiesc în asociere cu rădăcinile plantelor pot metaboliza aceste substanțe în sol sau apă. Acești compuși complexi și recalcitranți nu pot fi descompuși la molecule de bază (apă, dioxid de carbon etc.) de moleculele de plante și, prin urmare, termenul fitotransformare reprezintă o modificare a structurii chimice fără o descompunere completă a compusului. În concluzie, plantele reduc toxicitatea (cu mici excepții) și sechestrează xenobioticele în fitotransformare. S-a studiat extensiv fitotransformarea trinitrotoluenului și s-a propus și o cale de transformare.

REFERINȚE

1. Phytoremediation technoques for remediation of radiostrotinum and radiocaesium in aquatic environment by Catharanthus roseus (L.) G. Don, Environment Engineering and Managements Journal. Anamika S., Eapen S., Fulekar M. H. (2009b). 2. Engineered endophytic bacteria improve phytoremediation of water-soluble, volatile organic pollutants. Barac, T Taghavi, S. Borremans, B. Provoost (2004). 3. Overview of phytotransformation and control of wastes. McCutheon and J.L. Schnoor. (2003)

4. Phytoremediation of trichloroethylene using hybrid poplar. Physiology and Molecular Biology of Plants. Kassel, A. G., Ghoshal, D., & Goyal, A. (2002). 5. Enhanced

tolerance

of

transgenic

poplar

plants

overexpressing

glutamylcysteine synthetase towards chloroacetanilide herbicides.

gamma-

Gullner G1,

Kömives T, Rennenberg H. J Exp Bot. (2001) 6. Aspects of phytoremediation of organic compounds, Journal of Soils and Sediments, Stefan Trapp, Ulrich Karlson (2001) 7. Phytoremediation: A growing field with some concerns, H. Black, (1999) 8. Advanced Environmental Biotechnology By S. K. Agarwal (2005) 9. Environmental Biotechnology By M. H. Fulekar (2010) 10. Agriculture and Environment: M. A. Khan (2004) 11. https://en.wikipedia.org/wiki/Phytoremediation 12. Biochemical Mechanisms of Detoxification in Higher Plants, Berlin, Heidelberg: Springer, Kvesitadze, G.; et al. (2006) 13. "Higher plant metabolism of xenobiotics: the "green liver" concept", Pharmacogenetics, Sanderman, H. (1994) 14. Phytoremediation: Transformation and Control of Contaminants, McCutcheon, S.C.; Schnoor, J.L., Burken, J.G. (2004) 15. Xenobiotic sensing and signalling in higher plantsș Ramel, F., Sulmon, C., Serra, A.A., Gouesbet, G., Couée I. (2012) 16. Biochemical Mechanisms of Detoxification in Higher Plants, Berlin, Heidelberg: Springerș Kvesitadze, G.; et al. (2006)