Agrobiotecnolog;a - FBMC

1、Agrobiotecnologa. Curso 2011Clase 17: FitorremediacinAlternativas actuales para eliminar contaminaciones de metales pesadosTransparencias 3-7La contaminacin ambiental con metales pesados y radionucletidos es un serio problema tanto para la salud humana como para la agricultura. La fitorremediacin es

2、 una de las tecnologas emergentes que podr solucionar, al menos parcialmente, este problema. Tanto la contaminacin de suelos como la de aguas ponen en riesgo la salud y la calidad de vida humana. Por ejemplo, el nquel puede producir desde irritacin en la piel hasta daos pulmonares, del sistema nervi

3、oso y de las mucosas, y es adems un agente carcinognico. Por otro lado, el plomo puede producir anemia, enfermedades del hgado y riones, dao cerebral y hasta la muerte. La transparencia 4 muestra los rangos de concentracin comnmente hallados y los lmites permitidos para algunos contaminantes metlico

4、s y para los radionucletidos ms importantesLa actividad industrial ha crecido enormemente desde los comienzos del siglo XX. Este crecimiento fue acompaado con el aumento de desechos txicos, nocivos tanto para el ambiente como para los organismos que en l habitan, incluyendo al hombre. La necesidad d

5、e disminuir el impacto ambiental de los subproductos industriales ocupa un lugar creciente en la agenda pblica. Paralelamente, comienza a divisarse un nuevo mercado econmico, dirigido hacia el tratamiento de efluentes y descontaminacin ambiental. La transparencia 6 presenta algunos datos referidos a

6、l costo actual de los procesos de descontaminacin en Estados Unidos. Existen diversas alternativas tecnolgicas para el tratamiento de suelos y aguas contaminados, pero su alto costo hace que muchas de stas resulten poco factibles desde el punto de vista econmico. Recientemente, se ha generado un gra

7、n inters en utilizar especies vegetales capaces de crecer en suelos altamente contaminados en tcnicas de biorremediacin (transparencia 7). Muchas de estas especies acumulan las sustancias contaminantes en su parte area y esto permite utilizarlas como extractores de bajo costo de una variada categora

8、 de sustancias txicas.FitorremediacinTransparencias 8-25Existe una abundante literatura sobre la remediacin de suelos y aguas mediante el uso de plantas. Esta tecnologa, an emergente, se vuelve cada vez ms prometedora dadas las grandes ventajas que presenta respecto de las tecnologas tradicionalment

9、e utilizadas en descontaminacin. Dependiendo de los autores, pueden encontrarse distintas definiciones de “fitorremediacin”. En la transparencia 9 se presentan dos de ellas a modo de ejemplo. La transparencia 10 enumera algunos ejemplos de contaminantes orgnicos y las formas ms frecuentes utilizadas

10、 para degradarlos por fitorremediacin. La transparencia 11 hace lo propio para el caso de los contaminantes inorgnicos.Se conocen hasta el momento ms de 400 especies vegetales capaces de acumular sustancias txicas con distintos grados de eficiencia. La fitorremediacin ofrece una serie de ventajas im

11、portantes en comparacin con las tcnicas tradicionales de descontaminacin ambiental, algunas de las cuales se enumeran en la transparencia 13. Sin duda, el mayor beneficio que deriva de los mtodos de fitorremediacin es de tipo econmico. Por ejemplo, en Estados Unidos, el costo para remediar un acre d

12、e suelo hasta 50 cm de profundidad ronda los U$S 400.000 si se aplican tecnologas de excavacin, mientras que si se utilizan plantas para el mismo propsito el costo desciende a U$S 60.000. Esta diferencia se debe principalmente a que no se necesitan maquinarias costosas ni personal altamente califica

13、do. En muchos casos, la fitorremediacin se utiliza como paso final para la descontaminacin de algn sitio que fue previamente tratado mediante el uso de otras tecnologas. A pesar de las grandes ventajas listadas en la transparencia anterior, al encarar un proceso de fitorremediacin deben considerarse

14、 tambin las limitaciones de este enfoque, las cuales se enumeran en la transparencia 14. Un riesgo que debe ser correctamente evaluado es el efecto potencial sobre la cadena alimentaria. Por ejemplo, si algn herbvoro se alimenta de plantas utilizadas en un proceso de fitorremediacin, ello podra tene

15、r efectos nocivos y hasta letales sobre l y/o sobre sus predadores. Aunque se est trabajando activamente en el anlisis de efectos de este tipo, se requiere an ms investigacin para que se puedan establecer mtodos de manejo adecuados.Pueden distinguirse distintos tipos de fitorremediacin segn el modo

16、en que la planta capta o metaboliza la sustancia contaminante (transparencia 15). Una de las formas ms importantes, la fitoextraccin, involucra el uso de plantas terrestres para absorber metales pesados desde el suelo, para luego transportarlos hacia el tallo y las hojas. Una vez fitoextrados, los m

17、etales pueden acumularse en la porcin area de la planta y cosecharse para luego reducir su volumen por incineracin. Los compuestos txicos pueden tambin liberarse como especies voltiles menos txicas. El diseo del sistema a utilizar para la descontaminacin variar segn el o los compuestos contaminantes

18、, la concentracin de dichas sustancias y las condiciones del sitio a remediar (transparencias 16 y 17). El tipo de fitorremediacin que ser utilizado es muy importante, ya que el diseo del sistema depender de ello. Algunos factores clave a tener en cuenta son:Seleccin de la especie vegetal: en genera

19、l se utilizan plantas de rpido crecimiento, fciles de crecer y mantener. No debe olvidarse el requerimiento de agua de las plantas en el terreno en que sern ubicadas. Algunos diseos utilizan especies autctonas para no modificar demasiado la flora local. Obviamente, la especie seleccionada deber desc

20、ontaminar eficientemente la sustancia txica. Pueden utilizarse plantas, rboles, pastos o algas.Datos de toxicidad y de degradacin de contaminantes: es necesario analizar el tipo de contaminacin para asegurar la correcta eleccin del sistema. Probablemente deben realizarse ensayos a pequea escala para

21、 comparar la efectividad de descontaminacin de distintas especies. Tambin es necesario analizar la cantidad y caractersticas de los compuestos que la planta produce y/o libera.Esquema y densidad de las plantaciones: la densidad de plantacin depender de la planta utilizada y del tipo de aplicacin. De

22、be estimarse la cantidad de biomasa producida lo largo del tiempo por unidad de superficie. Adems, en algunos casos ser necesario realizar plantaciones sucesivas a lo largo de un perodo preestablecido.Irrigacin, insumos agronmicos y mantenimiento: en aplicaciones de fitorremediacin terrestre debe in

23、cluirse el costo de irrigacin. La frecuencia y cantidad de las lluvias y las caractersticas del clima regional son factores que podrn modificar el requerimiento de agua de riego. Otros costos importantes que deben incluirse en el plan son las plantaciones sucesivas, el mantenimiento y monitoreo, la

24、cosecha y la fertilizacin, entre otros.Zona de captura de agua y tasa de transpiracin: Debe analizarse el movimiento del agua y su destino final. Un rbol maduro es capaz de liberar ms de 760 L de agua por ao a travs de la transpiracin. En algunos casos, las plantas liberarn al medio productos menos

25、txicos que aquellos que les dieron origen mediante el proceso de transpiracin.Tasa de captacin del contaminante y tiempo de limpieza requerido: existen varias ecuaciones para determinar la tasa de descontaminacin.Anlisis de riesgos contingentes: no debe excluirse la posibilidad de que se presenten e

26、ventos inesperados (plagas, sequa, vientos, animales, etc.) que pongan en peligro el sistema de fitorremediacin planteado. Es recomendable considerar esto y disponer de estrategias de contingencia para asegurar el xito del programa. La transparencia 20 presenta algunos ejemplos de las especies ms ut

27、ilizadas en fitorremediacin. En particular, los lamos han sido utilizados para la remocin de suelos contaminados con diversos compuestos. Entre ellos, pueden citarse como ejemplos la atrazina, el tricloroetileno y el selenio. La fitoextraccin, uno de los tipos de fitorremediacin ms utilizados, es em

28、pleada comercialmente para la descontaminacin de ciertos metales. En la tabla de la transparencia 21, se presentan ejemplos de pruebas de campo realizadas para descontaminar distintos compuestos. Sin embargo, an se requiere un mayor desarrollo de la tecnologa para optimizar la capacidad de las espec

29、ies fitoextractoras. Una posibilidad a considerar es la aplicacin de tcnicas mixtas combinando fitorremediacin con tecnologas tradicionales.Pueden distinguirse tres grandes pasos durante el proceso de acumulacin de metales pesados en las plantas: a) la captacin por las races; b) el transporte y; c)

30、los mecanismos de evasin y de tolerancia.Captacin por las races: los metales pueden presentarse disueltos en el agua superficial del suelo o adsorbidos a componentes del mismo. En el primer caso, la planta ser capaz de absorberlos directamente de la solucin en la que se encuentran. En el segundo, de

31、ber solubilizar previamente los metales mediante la secrecin radicular de fitosiderforos, protenas quelantes (fitoquelatinas y metalotionenas), y protones que acidifican el medio. Una vez solubilizados, los iones metlicos podrn ingresar a la raz por va apoplstica (extracelular) o por va simplstica (

32、intracelular). Transporte: una vez que los metales se encuentran dentro de la planta, pueden ser acumulados en las races o exportados hacia el tallo. La exportacin hacia el tallo se realiza a travs del xilema y la redistribucin dentro del mismo de realiza por el floema. Finalmente, los metales son a

33、lmacenados dentro de la vacuola celular.Mecanismos de evasin y de tolerancia: la planta debe contar con mecanismos que eviten que los metales pesados la afecten severamente. La evasin, es decir, la limitacin en la captacin de los metales, puede ser uno de los sistemas utilizados. La detoxificacin o

34、la resistencia metablica a los metales pesados son otras alternativas para evitar los efectos txicos. La transparencia 24 presenta algunos de los procesos biolgicos que afectan a la fitorremediacin y que deben ser estudiados en mayor profundidad para poder hacer ms eficientes los procedimientos basa

35、dos en esta tcnica.Tipos de fitorremediacinTransparencias 26-62La fitorremediacin puede aplicarse tanto al tratamiento de contaminaciones con compuestos orgnicos como con sustancias inorgnicas. Los agentes contaminantes pueden a su vez, estar presentes en un sustrato slido (suelo), lquido (agua), o

36、en el aire. Tomando en cuenta estos factores, los procesos de fitorremediacin puede dividirse en distintos tipos: fitoextraccin, rizofiltracin, fitoestimulacin, fitoestabilizacin, y fitotransformacin. En las transparencias 27 y 28 se resumen los aspectos esenciales de cada tipo de proceso. La transp

37、arencia 29 resume y complementa la informacin anterior. Se enumeran los distintos tipos de fitorremediacin y se presentan algunos ejemplos de las contaminaciones ms frecuentes para los que han sido utilizados.La planta ideal para su utilizacin en procesos de fitoextraccin debera tolerar y acumular a

38、ltas concentraciones de metales en las partes cosechables, tener una alta tasa de crecimiento y una alta produccin de biomasa. Thlapsi caerulescens, perteneciente a la familia Brassicaceae, es una de las plantas identificadas como hiperacumuladora de metales. Sin embargo, su reducido tamao limita la

39、 utilizacin de esta especie en aplicaciones a campo. Brassica juncea es otra especie prometedora para su utilizacin en este proceso. Es capaz de acumular distintos metales pesados en su tallo, y produce mayor cantidad de biomasa que T. caerulescens. Sin embargo, para la mayora de los casos citados e

40、n la tabla, T. caerulescens acumula niveles ms altos de metales pesados que B. juncea. En consecuencia, al elegir la especie para un sistema de fitoextraccin, es muy importante establecer la relacin entre la biomasa producida y la capacidad de acumular sustancias txicas. En la transparencia 32, se e

41、numeran algunas plantas tpicas que han sido empleadas en procesos de fitoextraccin. T. caerulescens es una de las especies ms estudiadas por su capacidad hiperacumuladora. Esta especie puede acumular hasta 40 mg de zinc por gramo de tejido foliar seco. Tambin puede acumular niveles considerables de

42、cadmio. Sin embargo, es una planta de crecimiento lento y genera poca biomasa, por lo que se la usa principalmente como un modelo experimental.La biodisponibilidad de los metales para su captacin por la planta es un factor determinante de la efectividad de la remediacin (transparencia 33). Los metal

43、es en estado inico o adsorbidos a constituyentes inorgnicos del suelo pueden ser captados por la planta para comenzar el proceso de fitoextraccin. El manejo de la biodisponibilidad de los metales es crtico para el xito de cualquier plan de fitorremediacin, existiendo varios mtodos para incrementar l

44、a misma. Por ejemplo, el agregado de quelantes origina la formacin de complejos quelante-metal y permite que los metales estn disponibles para su captacin. En suelos con bajo pH, la adsorcin de los metales se halla disminuida y aumenta la concentracin de las formas solubles. En este caso, manteniend

45、o un pH levemente cido, se puede incrementar la biodisponibilidad de los metales y, por lo tanto, su captacin. Muchos metales pesados estn unidos a xidos, y su disolucin es otra forma de aumentar la biodisponibilidad. Algunas plantas exudan agentes reductores por sus races, lo que modifica el estado

46、 redox del suelo y permite disociar los xidos metlicos. Es sabido tambin que los microorganismos presentes en la rizosfera facilitan la captacin de nutrientes por la planta. El enriquecimiento de la rizosfera con microorganismos capaces de favorecer la captacin de metales pesados puede contribuir a

47、facilitar la biodisponibilidad. La transparencia 34 muestra grficos que representan dos estrategias de fitoextraccin: fitoextraccin continua y fitoextraccin asistida por quelantes. Fitoextraccin continua: se basa en la capacidad natural de algunas plantas de hiperacumular metales a lo largo de su ci

48、clo de vida. La desventaja de este sistema deriva de que muchas plantas hiperacumuladoras son de bajo crecimiento, producen poca biomasa, y no son capaces de acumular los principales metales contaminantes (cadmio, plomo, uranio). En el esquema de la transparencia 34 se muestra la captacin del metal

49、a lo largo del tiempo a medida que las plantas crecen. La cosecha de las mismas se efecta una vez que alcanzan su tamao ptimo y la mxima incorporacin del metal.Fitoextraccin asistida por quelantes: debido a que los metales ms problemticos no estn bajo formas disponibles en el suelo, se utilizan quel

50、antes, como EDTA, para favorecer la biodisponibilidad de dichos compuestos e incrementar la acumulacin en la planta. El esquema de la transparencia 34 muestra las dos etapas del proceso. En la primera, se deja crecer la planta hasta el tamao deseado, siendo mnima la incorporacin del metal. En la seg

51、unda, se aplica el quelante y se produce la mxima captacin del metal. Finalmente, se efecta la cosecha. El grfico de barras muestra un ejemplo en que la aplicacin de EDTA permite aumentar la captacin de plomo. En este caso, se midi la concentracin del metal en los tallos de B. juncea tras haber trat

52、ado el suelo con distintas concentraciones del quelante. Se observa que a medida que se incrementa la cantidad de quelante aplicado, aumenta significativamente la captacin de plomo por la planta.Una posible forma de incrementar la acumulacin de metales en las plantas es mediante la sobrexpresin cons

53、titutiva de protenas que intervienen en el transporte de stos a la vacuola celular. En las transparencias 35 y 36, se muestran experimentos realizados con clulas de Saccharomyces cereviciae y plantas de Nicotiana tabacum transformadas con el gen de Arabidopsis thaliana cax2, el que codifica una prot

54、ena transportadora de Ca2+. Los ensayos realizados se explican parcialmente en las propias transparencias. Todas las cepas de la levadura se cultivaron hasta saturacin y luego se diluyeron 500 veces en medio conteniendo distintas concentraciones de MnCl2. Las incubaciones se realizaron por 1 da a 30

55、oC. La tolerancia al Mn2+ est cuantificada mediante la densidad ptica de los cultivos de S. cereviciae. Como puede observarse en la grfica, la sobrexpresin de CAX2 en S. cereviciae aumenta la tolerancia a Mn2+, tanto en la cepa mutante cnb como en la cepa salvaje. Panel superior de la transparencia

56、36: los ensayos se realizaron complementando el medio con 10 mM CaCl2, 0,1 mM CdCl2 o 0,1 mM MnCl2. El contenido de iones se determin por espectrometra de absorcin atmica. Las plantas transgnicas para CAX2 son capaces de acumular mayor cantidad de iones. Estos resultados son ms notorios si se analiz

57、a el contenido de iones de las races. Panel inferior de la transparencia 35: para los tres iones analizados, puede observarse que la expresin de CAX2 en ambas lneas transgnicas (curvas en anaranjado y azul) aumenta al transporte de iones comparado con la lnea control (curva verde).La contaminacin co

58、n cadmio de los suelos se debe principalmente al excesivo uso de fertilizantes fosfatados, desechos domiciliarios y deposicin ambiental. Muchos cultivos de inters agronmico captan el metal. Por lo tanto, dicho problema alcanza la alimentacin humana y las tierras cultivables. Algunos organismos resisten naturalmente al estrs causado por metales pesados mediante protenas quelantes del metal en cuestin (metalotionenas y fitoquelatinas). Aum