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AgrobiotecnologíaCurso 2011FitorremediaciónAlejandro MentaberryDepartamento de Fisiología, Biología Molecular y CelularFacultad de Ciencias Exactas y NaturalesUniversidad de Buenos Aires
SumarioAlternativas actuales para eliminar contaminacionesde metales pesadosFitorremediación- Ventajas- Limitaciones- Tipos de plantas más utilizadasTipos de fitorremediación- Fitoextracción- Rizofiltración- Fitotransformación- Fitodegradación de compuestos orgánicos- �n- FitoestabilizaciónPlantas transgénicas para detectar compuestosinorgánicos tóxicos en el medio ambienteReferencias
Alternativas actuales para eliminarcontaminaciones de metales pesadosAgrobiotecnologíaFitorremediación
Rangos deconcentracióncomúnmentehallados y límitespermitidos paralos contaminantesmetálicos y losradionucleótidosmás mentoRango de concentraciónLímite regulatorioMetales(µµg/Kg)a(mg/Kg) 0RadionucleótidosUnidadespCi . g-1Uranio0,2-16.000 c0,06-18.700 d------250 fEstronio0,03-540.000 e-------Cesio0,02-46.900 e-------Plutonio0,00011-3.500.000 e-------Tomado de: Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol., 1998.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.
Alternativasactuales paraeliminarcontaminacionesde metalespesados - Rellenado de terrenos- Fijación química e impermeabilizaciónsuperficial- Lixiviación y reposición del suelo AgrobiotecnologíaFitorremediaciónSuelosAguas- Precipitación o floculación- Intercambio iónico- Osmosis inversa- Microfiltración
Mercado potencialpara ladescontaminaciónambientalen Estados Unidosmediante lastecnologíasactuales En los últimos 10 años se ha desarrollado un mercado. importante para la biorremediación, principalmente en. Estados Unidos.Productos tóxicos:Metales pesados:Metales pesados y tóxicos: U S 400.000 M U S 7.100 M 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).AgrobiotecnologíaFitorremediación El mercado comercial de fitorremediación comprende. 80% de contaminantes orgánicos y 20% de inorgánicos. El mercado de fitorremediación creció de 3 y 5 veces. entre 1999 y 2005.
La fitorremediación es económicamente competitivarespecto de otras alternativas de remediaciónAdaptado de Chappell, US Environmental Protection Agency,1998.
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Fitorremediación“Conjunto de métodos para degradar,asimilar, metabolizar o detoxificar metalespesados y compuestos orgánicos pormedio de la utilización de plantas.”“Es el empleo de vegetación parael tratamiento in situ de suelos,sedimentos y aguas nSe basa en los procesos que ocurrennaturalmente por los cuales las plantasy los microorganismos rizosféricosdegradan y secuestran contaminantesorgánicos e inorgánicos
La fitorremediación permite detoxificar distintos sustratos Sustratos sólidos (suelos y sedimentos):- sitios militares (TNT, metales, orgánicos)- campos agrícolas (herbicidas, pesticidas, metales, selenio)- sitios industriales (orgánicos, metales, arsénico)- minas (metales)- sitios de tratamiento de maderas (hidrocarburos aromáticos policíclicos; PAHs) Sustratos líquidos- aguas residuales (nutrientes, metales)- drenajes de agricultura (nutrientes, fertilizantes, metales,arsénico, selenio, boro, pesticidas orgánicos y herbicidas)- efluentes industriales (metales, selenio)- efluentes de minería (metales)- plumas subterráneas (metales, compuestos orgánicos) Sustratos gaseosos- aire libre e interior (óxidos de nitrógeno, SO2, ozono, CO2, gasesneurotóxicos, partículas de hollín, e hidrocarburos halogenados volátiles)
Contaminantes orgánicos Son consecuencia de las actividades humanas:- 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 plantadegradaciónsecuestrovolatilización Ejemplos de descontaminaciones exitosas por fitorremediación:Solventes orgánicos, herbicidas, explosivos, hidrocarburosderivados del petróleo, bifenilos policlorinados (PCBs),tricloroetileno (TCE), hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs).
Contaminantes inorgánicos Pueden ser consecuencia de 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 fitorremediarse mediante. estabilización o secuestro en la parte cosechable de la planta. Ejemplos de descontaminaciones exitosas por fitorremediación: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.
FitorremediaciónVentajas Las plantas pueden ser utilizadas como bombasextractoras de bajo costo para depurar suelos y aguascontaminadas (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 rápidacon plantas que con microorganismos. Es un método apropiado para descontaminar superficiesgrandes o para finalizar la descontaminación de áreasrestringidas en plazos largos.Agrobiotecnología Es una metodología con buena aceptación pública.Fitorremediación Se generan menos residuos secundarios.
FitorremediaciónLimitaciones El proceso se limita a la profundidad de penetraciónde las raíces o a aguas poco profundas. La fitotoxicidad es un limitante en áreas fuertementecontaminadas. Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados. La biodisponibilidad de los compuestos o metaleses un factor limitante de la captación. Deben considerarse contaminaciones potencialesde la cadena alimentaria y napas de agua.Agrobiotecnología Se requiere comprender mejor la naturalezade los productos de degradación (fitodegradación).Fitorremediación Falta elaborar el marco regulatorio detallado.
Biología de laacumulaciónde metalesen plantas Captación por las raíces:- Movilización de los metales Quelación mediante fitosideróforos Unión a proteínas quelantes (fitoquelatinas) Acidificación por exudado de H - Captación por la raíz Via apoplástica Vía simplástica Transporte:- Almacenamiento en raíz o exportación al tallo por xilema- Transporte por xilema o redistribución por floema- Almacenamiento en vacuolas Mecanismos de evasión o tolerancia:AgrobiotecnologíaFitorremediación- Captación celular limitada (evasión)- Metabolismo tolerante a metales pesados- Detoxificación por quelación, compartimentalizacióno precipitación Mecanismos más probables:- Compartimentalización en vacuolas y quelación confitoquelatinas (Cd2 , Zn2 , Cu2 )- Precipitación como fitatos (Zn2 )
Mecanismosinvolucrados enla quelación ycompartimentalizaciónpared biotecnologíaFitorremediaciónsecuestroAdaptado de: Pilon-Smits, Annual Review in Plant Biollogy, 2005.Mecanismos de tolerancia para contaminantes orgánicos e inorgánicos en plantas.La detoxificación generalmente involucra la conjugación seguida del secuestro activo en lavacuola y el apoplasto, donde el contaminante hace el menor daño. Los quelantes son:glutatión (GSH), glucosa (Glu), metalotioneínas (MT), nicotinamina (NA), ácidos orgánicos (OA,fitoquelatinas (PC). Los transportadores se representan por cajas con flechas.
Estrategias defitorremediaciónutilizadas pararemediar agua,suelo o l artificialPlantas usadas como filtrosPlantas usadas comobarrera hidráulicapara prevenir lacontaminación denapas y la dispersiónhorizontal de plumas.AgrobiotecnologíaFitorremediaciónbarrera hidráulicafitoextracción yfitoestabilizacionfiltraciónde aireAdaptado de: Pilon-Smits, Annual Review in Plant Biology, 2005.
Diseño desistemas defitorremediación Selección de la especie vegetal Datos de toxicidad y de degradación de contaminantes Tasa de captación del contaminante y tiempode limpieza requerido Esquema y densidad de las plantaciones Costos de Irrigación, insumos agronómicos,. mantenimiento y gastos de cosecha.Agrobiotecnología Zona de captura de agua y tasa de transpiraciónFitorremediación Análisis de riesgos contingentes (plagas, sequías, etc.)
Tipos de plantasmás utilizadas Freatófitas- Plantas de raíces profundas(álamo, sauce, algodonero). Pasturas- Por su tipo de raíz retienen el suelo. Legumimosas- Permiten enriquecer el suelo en N2. Acuáticas- Permiten la degradación de contaminantesen humedales artificiales.AgrobiotecnologíaFitorremediación
Algunas especies propuestas para fitorremediaciónBrassica junceaThlapsi caerulescensLotus corniculatusSilene vulgarisAlyssum lesbiacumHibiscus cannabinusFestuca arundinacea
Ejemplosde pruebasde campo parafitorremediaciónde rassica junceaTrenton, N.J.FE-FEAQLa incorporación dePb2 aplicando EDTAresultó en la reducción del28% en la contaminaciónen el área en unatemporada de cosecha.CdZnThlapsi caerulescensSilene vulgarisBeltsville, Md.FE-FECFitoextracción de suelosenmendados con barrossedimentarios.La acumulación de Zn2 en T. caerulescensfue10 veces mayor queen otras plantas.ZnCdNiCuPbCrSeBBrassica oleraceaRaphanus sativusThlapsi caerulescensAlyssum lesbiacumAlyssum muraleArabidopsis thalianaBrassica junceaFestuca arundinaceaHibiscus cannabinusLotus corniculatusRothamstead,U.K.FE-FECSuelos enmendados consedimentos.FE-FECFVEl contenido de B extraiblepor agua se redujo entre24% y 52%, y el de Se seredujo entre 13% y 48%por todas las especies.UHelianthus annusAsthabula, OhioRFRemoción de U de ónLos Baños,CaliforniaTomado de: Salt et al., Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1998.a:Métodos de fitorremediación. FE: fitoextracción; FV: fitovolatilización; RF: rizofiltración;FEAQ: fitoextracción asistida por quelantes; FEC: fitoextracción continua
Característicasdel contaminanteque afectanla captación porla planta Contaminantes orgánicos:No existen generalmente transportadores específicos en la planta. Semueven por difusión en los tejidos vegetales, según sus propiedadesquímicas. La hidrofobicidad les permite atravesar fácilmente la bicapalipídica pero se mueven con dificultad por los fluidos celulares. Contaminantes inorgánicos:Incorporados por procesos biológicos mediante transportadores demembrana, preexistentes porque son nutrientes o similares a ellos(arsenato y selenato son incorporados por transportadores de fosfato).Por ello, su captación es saturable. 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. Los contaminantes orgánicos suelen ser menos tóxicos: no. tienden a acumularse a altos niveles y son menos reactivos.AgrobiotecnologíaFitorremediación En los suelos con mezcla de ambos contaminantes, el. crecimiento vegetal y la posibilidad de fitorremediación son. más limitados
Factores físicosy químicos queafectan labiodisponibilidaddel contaminanteLa biodisponibilidad depende de: Las propiedades químicas del contaminante (hidrofobicidad. y volatilidad):Las moléculas con extrema hidrofobicidad (PCBs, PAHs, hidrocarburos) seunen fuertemente a la materia orgánica y no se disuelven en el agua(contaminantes “recalcitrantes”).Los contaminantes no volátiles son fitodegradados o secuestrados, mientrasque los volátiles pueden liberarse a la atmósfera sin transformaciones. Las propiedades del suelo:Los arcillosos (partículas pequeñas) retienen más agua que los arenosos ytienen más sitios de unión para iones (cationes), al igual que los de mayorconcentración de materia orgánica (humus). Éstos pueden unir mayorcantidad de contaminantes hidrofóbicos. La biodisponibilidad de loscontaminantes iónicos está afectada por el pH del suelo (pH ácido, aumentala biodisponibilidad de cationes)Agrobiotecnología Las condiciones medioambientales:FitorremediaciónLa temperatura y la humedad afectan la biodisponibilidad (por ejemplo,aumentando la migración de contaminantes disueltos en agua)
Factoresbiológicos queafectan labiodisponibilidaddel contaminanteInteracciones 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:AgrobiotecnologíaFitorremediación Biosurfactantes (ramnolípidos) liberados por bacterias que aumentan. disponibilidad de compuestos hidrofóbicos Exhudados vegetales con compuestos que pueden promover la síntesis. de biosurfactantes por las bacterias Enzimas (vegetales y bacterianas) que modifican las cadenas laterales de. algunos compuest
La detoxificación generalmente involucra la conjugación seguida del secuestro activo en la vacuola y el apoplasto, donde el contaminante hace el menor daño. Los quelantes son: glutatión (GSH), glucosa (Glu), metalotioneínas (MT), nicotinamina (NA), ácidos orgánicos (OA, fitoquelatinas (PC). Los transportadores se representan por cajas con flechas. Adaptado de: Pilon-Smits, Annual Review .
