Universitatea de Stiinte Agronomice si Medicina Veterinara Bucuresti

Facultatea de Biotehnologii, Protectia Mediului

Biodegradarea metalelor grele

Intorducere

Problematica remedierii solurilor contaminate cu substante toxice utilizand resursenaturale reprezinta o preocupare deosebita la nivel mondial. Eforturile cercetarilor s-au indreptat spre gasirea unor metode eficiente si ieftine dar cu impact cat mai redus asupra mediului.

Poluarea solurilor si apelor reziduale cu compusi chimici, incluzand metale grele, reprezinta la ora actuala, una din problemele majore cu consecinte grave asupra biosferei. Metalele grele provenite din activitatile umane, cum ar fi mineritul sau din apele industriale s-au acumulat de-a lungul anilor in mediu si uneori chiar in lantul alimentar determinand probleme grave ecologice si de sanatate. Expansiunea rapida si continua crestere a industriilor in ultimul secol a condus la cresterea nivelurilor de efluenti toxici eliberati in mediu. Multe incidente majore s-au produs in trecut, ceea ce arata necesitatea de a prevenii scaparea efluentilor in mediu, sau eliberarea de materiale radioactive cum a fost accidentul de la Cernobal. In ultimul timp s-au facut eforturi substantiale pentru a solutiona aceasta problema .Astfel, una din preocuparile actuale ale omenirii o reprezinta remedierea solurilor contaminatecu metale grele.

Bioremedierea

Specia umana functioneaza la vârful piramidei trofice în calitate de consumator omnivor, fara a avea ea însasi un consumator specific superior, ceea ce duce la o înmultire necontrolata a populatiei umane. Prin constiinta de sine si inteligenta, omul a reusit sa devina din biosistem agresat de mediul natural, factor de exploatare a acestui mediu, conform programului “pentru sine” de autoconservare la nivel de individ si specie.

Înmultirea necontrolata implica o competitie acerba pentru resurse, ceea ce se extinde procesul de antropizare spre cele mai inaccesibile zone ale planetei, iar intensitatea acestui proces, desfasurat intempestiv în ultimele secole, depaseste capacitatea de redresare prinautoreglare a ecosistemelor, invadate prin:- urbanizare- industrializare-agrosistematizare. Degradarea ecosistemelor pâna la perturbarea echilibrului dinamic, a structurii sifunctiilor acestora, restrângerea biodiversitatii, ameninta însasi specia umana, prin decuplarea sa energetica si materiala, deci, prin alterarea conditiilor sale de existenta.

Cercetarile în domeniul biologiei solului, în vederea întelegerii proceselor biologice fundamentale care se petrec în sol, au cunoscut în secolul XX o adevarata explozie. La începutul secolului trecut, cercetarile erau orientate spre îmbunatatirea fertilitatii solului si cresterii productiei agricole. Pâna în anii 50, s-au studiat diferite tipuri de microorganisme (fixatoare de azot, nitrificatori, sulfo-oxidatoare etc) si relatiile dintre acestea si nutritia plantelor. In anii 60, cercetarile s-au axat pe corelatiile dintre transformarile solului, populatiile microbiene si activitatile enzimatice pentru sporirea fertilitatii solului.

În anii 70, rezolvarea problemelor cu privire la asigurarea hranei (inocularea solului cu bacterii fixatoare de azot din genul Azospirillum fiind primul pas important în acest sens). Dupa anii 70, a avut loc în microbiologia solului un salt de la aplicarea acestei stiinte în agricultura, la folosirea microorganismelor în decontaminarea mediului poluat. Începând cu anii 80, s-au realizat primele experimente de laborator în care s-a folosit inocularea cu tulpini de microorganisme cu abilitati degradative ale compusilor organici. Pornind de la activitatile degradative ale microorganismelor au fost elaborate numeroase tehnologii de depoluare, care sunt cuprinse generic în termenul de bioremediere.

Bioremediarea mediului reprezinta un nou domeniu in cadrul biotehnologiilor. Bioremedierea reprezinta metoda de eliminare cu ajutorul microorganismelor a poluantilor din mediu, prin transformarea lor din compusi toxici in compusi netoxici, fara afectarea mediului inconjurator. Cu alte cuvinte, bioremediarea este o tehnologie prin care se urmareste indepartarea poluantilor din mediu refacand mediul natural original si prevenind viitoarele contaminari. Aceste microorganisme pot fi izolate din zonele contaminate sau pot fi izolate din alte surse si transferate in regiunile poluate. Compusii contaminati sunt trasformati de organismele vii prin reactii care au loc ca etape in procesele de metabolism.

Biodegradarea este adesea rezultatul activitatii metabolice a mai multor microorganisme. Pentru ca bioremedierea sa aiba efectele scontate, microorganismele trebuie sa atace pe cale enzimatica poluantii din siturile contaminate si sa ii transforme in compusi mai putin toxici. Acest lucruse poate realiza in zonele unde conditiile de mediu permit dezvoltarea microorganismelor iar acestea pot sa se dezvolte normal si sa aiba capacitatea de a degrada compusii poluanti cu orata destul de ridicata. Controlul si optimizarea proceselor de bioremediere reprezinta un sistem complex ce implica mai multi factori ce includ: existenta unei populatii microbiene cu capacitate ridicatade a degrada compusii poluanti; disponibilitatea unor contaminanti la populatiile de microorganisme; factorii de mediu (tip de sol, temperatura, pH, prezenta oxigenului si a altor acceptori, nutrienti).

Microorganismele pot fi izolate din aproape toate conditiile de mediu cum ar fi din regiuni cu temperatura scazuta sub zero grade, din regiuni cu temperaturi foarte ridicate,conditii de desert, din ape etc. Cel mai important factor pentru ca aceste microorganisme sa supravietuiasca o reprezinta sursa de carbon si sursa de energie.

Relatia microorganism-metale

Cei mai abundenti poluanti in apele reziduale sunt metalele grele. Activitatile umane, cum ar fi mineritul si devarsarile apelor industriale, au drept rezultat acumularea metalelor in mediu si eventual acumularea direct in lanturile de hrana conducand la serioase probleme ecologice si de sanantate.

Prezenta metalelor si radionuclizilor organici in sol si ape reziduale in zonele contaminate prezinta schimbari specifice ale mediului iar optiunile pentru remediere sunt foarte limitate. Acesti contaminanti sunt ne-degradabili, iar alternativele de remediere selimiteaza la escavarea solului contaminat. O alternativa la aceste metode conventionale de remediere o reprezinta utilizarea microorganismelor (bacterii, fungi, drojdii) dar si a plantelor si algelor in detoxifierea mediilor contaminate. Contaminarea apelor din rezervoarele minerale dar si a apei de baut cu metale grele poate determina alterarea comunitatilor micro si macrobiologice. S-a raportat ca microorganismele au capacitatea de a se adapta la aceste noi conditii prin intermediul sistemelor de rezistenta, si de accea, studiul interactiei intre metale grele si microorganisme a crescut foarte mult. Cele mai numeroase studii privind interactia metal-microorganism s-au concentrat pe izolarea si caracterizarea microorganismelor rezistente la un anumit tip de metal din mediile contaminate si prin posibilitatea utilizarii acestor microorganisme in procesele de detoxifiere a mediilor poluate.

Metalele grele joaca un rol important in cresterea celulara si in functiile metabolice. Astfel, cand un metal cu functie biologica necunoscuta inlocuieste sau este in competitie cu alt metal cu functie cunoscuta, rezulta fenomenul detoxicitate. Analize recente au aratat ca toxicitatea totala anuala a metaleleor mobilizate prinactivitatile umane este mult mai mare decat suma intre totalul de toxicitate al substanteleor radioactive si organice generate in fiecare an.

Investigarea interactiei intre metal si microorganism ne va ajuta sa intelegem mecanismele prin care microorganismele au capacitatea de a altera toxicitatea radionuclizilor si a metalelor grele dar si capacitatea lor de a se adapta la acele conditii de mediu. Intelegerea unor astfel de mecanisme ne va ajuta in viitor la dezvoltarea unor strategii de bioremediere a solurilor contaminate pe de o parte,

dar si de utilizare a microorganismelor si a componentelor acestora ca matrita pentru obtinerea de nanoparticule metalice cu aplicatii in industrie. Chiar daca unele metale grele sunt elemente esentiale, majoritatea pot fi, la concentratii mari, toxice pentru toate tipurile de viata, inclusiv microorganisme, formand compusi complexi in celula. Deoarece metalele grele se gasesc din ce in ce mai mult in habitatul microorganismelor, ele si-au dezvoltat cateva mecanisme pentru a tolera prezenta metalelor grele. Unele metale grele sunt necesare pentru functiile enzimatice si crestere, ele sunt cofactori a unor largi metaloproteine care catalizeaza reactiile redox.

Reactiile celulare ale metalelor grele esentiale sunt implicate intr-o mare masura in metabolismul celular. O deficienta in aceste metale poate avea consecinte severe la nivelul celulei si organismului.

Metalele joaca un rol esential pentru unele microorganisme. Spre exemplu, unele metale, cum ar fi calciul, cobaltul, cromul, cuprul, fierul, potasiul, magneziul, manganul, nichelul si zincul, servesc ca micronutrienti si sunt folositi in procesele redox, pentru a stabiliza moleculele in intereactiile electrostatice; sunt componente ale unor enzyme,sunt utilizate pentru reglarea presiunii osmotice. Multe alte metale nu au nici un rol biologic (ex: argint, aluminiu, cadmiu, aur, mercur) si sunt neesentiale.

La concentratii mari, si metalele esentiale si cele neesentiale pot provoca rupturi la nivelul membranelor celulare; pot altera specificitatea enzimelor, pot distruge functiile celulare, si pot provoca modificari la nivelul structurii moleculelor de ADN. Poluarea apelor cu metale grele ramane una din serioasele probleme de mediu si de aceea se impune necesitatea dezvoltarii de sisteme avantajoase de indepartare a acestora.

Principalele tehnici utilizate pentru indepartarea metalelor grele s-au rezumat la schimbul de ioni, precipitarea chimica, metode electrolitice, dar aceste metode sunt destul de limitate deoarece implica costuri de operare foarte ridicate. Astfel, majoritatea cercetarilor s-au concentrat in identificarea unor metode avantajoase de indepartarea a poluantilor prin utilizarea unor sorbenti cum ar fi celulele de microorganisme. Astfel, biomasa microbiana in forma sa nativa nu este avantajos de utilizat in procesele pe scara larga de indepartare a poluantilor. O

solutie in acest caz o reprezinta imobilizarea acestor microorganisme prin conversia biomasei intr-o forma a particulelor care poate fi utilizata ca absorbent conventional cu marime dorita, porozitate ridicata si o mai mare performanta fizica si chimica. Dintre cei mai utilizati agenti pentru imobilizare cei mai utilizati sunt alginatul, silicele si poliacrilamida. Un exemplu in acest sens, il reprezinta utilizarea bacteriei Bacillus sphaericus tulpina JG-A12, tulpina izolata din minele de uranium care dupa incapsularea in silicagel isi mentine inca proprietatea de retentie a metalelor grele.

Microorganisme utilizate in procesul de detoxifiere

Microorganismele sunt considerate reciclatori naturali datorita capacitatii lor de a transforma substantele chimice sintetice si naturale in surse de energie si materiale organice; pentru cresterea lor se sugereaza faptul ca substantele chimice scumpe si remedierea fizica pot fi inlocuite cu procese biologice care sunt mai ieftine si mai inofensive pentru mediul inconjurator. Prin urmare, microorganismele reprezinta o resursa promitatoare, in mare masura neexploatata inca pentru noile biotehnologii. Cele mai utilizate microorganisme in detoxifierea metalelor grele sunt bacteriile si fungi. De exemplu, la unele tipuri de Pseudomonas s-a demonstrat ca au capacitatea de a rezista si acumula diferite metale precum:crom, cupru, cadmiu si nichel. De asemenea, numeroase bacterii din familia Enterobacteria au capacitatea de a reduce enzymatic cromul. O alta bacterie care si-a dezvoltat mecanisme de rezistenta la cupru, zinc si arsen este E.coli.

Cercetari privind identificarea si caracterizarea bacteriilor si fungilor ce prolifereaza în solurile poluate cu petrol si apa sarata au fost efectuate de Toti si colab. (2003) S-au identificat principalele bacterii ce contribuie la degradarea petrolului (Pseudomonas, Flavobacterium, Corynebacterium etc), bacterii care se întâlnesc si în zacamintele de titei.

Pentru a optimiza metodele de bioremedierea solului contaminat cu metale grele, au fost folosite diferite variante experimentale in cateva proiecte de cercetare. Soluri cu diferite grade de contaminare au fost amestecate cu sau fara fungi si cultivate cu specii de plante pentru a diminua concentratia de metale grele

transferate in plante. Intr-o alta varianta experimentala, plante care au fost crescute in aceleasi soluri mixte au fost date cu 2 aminoetanol pentru a micsora stresul oxidativ si pentru a creste productia de biomasa. Alternativ, 2 specii diferite de Streptomyces au fost inoculate in sol pentru a verifica daca transferul de metale grele scade comparativ cu variantele care nu au fost inoculate. Utilizarea fungilor a fost benefica pentru plante in aproape toate conditiile testate, pentru producerea de biomasa si scaderea stresului oxidativ.

Microorganismele si-au dezvoltat cateva mecanisme pentru a tolera prezenta metalelor grele (fie prin efluxare, complexare sau reducere a metalelor la o stare mai putin toxica). Majoritatea mecanismelor studiate implica efluxarea ionilor metalici in afara celulei. Deoarece efluxarea ionilor metalelor grele de obicei include o reactie redox, bacteriile care sunt rezistente si cresc pe metale de asemenea joaca un rol important in ciclul biogeochimic. Este o implicare importanta in toleranta la metalele grele deoarece starea de oxidare a metalelor grele se refera la solubilitatea si toxicitatea metalelor grele in sine. De asemenea, deoarece starea de oxidare a ionilor metalici poate determina solubilitatea lor, multi cercetatori au incercat sa foloseasca microorganismele care sunt capabile sa oxideze sau sa reduca metalele grele.

Cuprul este folosit de celule in cantitati mici in enzimele celulare. Cuprul este cu precadere utilizat in unele activitati industriale si agricultura si se gasete in anumite soluri, iar bacteriile si-au dezvoltat unele mecanisme de rezistenta la cupru. De exemplu, bacteria Pseudomonas syringae, rezista la cupru prin acumularea si compartimentarea in periplasma celulara si in exteriorul membranei, effect datorat a 4 proteine codificate de operonul cop de la nivelul plasmidei. Proteinele se gasesc in periplasma (Cop A si Cop C), exteriorul membranei (CopB), si in interiorul membranei (CopD) si lucreaza impreuna pentru a compartimenta cuprul departe de functiile celulare sensibile.

La E.coli , rezistenta la cupru se bazeaza pe un mecanism de efluxare prin care cuprul este indepartat din celula. Gupta si col, 1995 au identificat doua gene, cutC si cutF ce codifica pentru o proteina de legare la cupru si o lipoproteina din membrana exterioara.

Zincul, reprezinta alt element essential care nu este utilizat in respiratie dar

care este important in formarea unor complexe la nivel celular cum ar fi compleze de tip zinc-finger cu moleculele de ADN. Celulele bacteriene au capacitatea de a acumula zinc foarte rapid prin mecanisme de absorbtie a acestuia in concentratii destul de ridicate dar este mai putin toxic comparativ cu alte metale grele (Nies 1999). Absorbtia ionilor de zinc se realizeaza prin acelasi mecanism de absorbtie al magneziului. De exemplu, la E.coli tulpina K-12 a fost identificata o gena cromozomala zntA care s-a dovedit a fi responsabila de transportul zincului si a altor cationi de-a lungul membranei celulare.

Un studiu interesant s-a realizat in cazul bacteriei Geobacter metallireducens care are o capacitate ridicata de reducere a metalelor, elimina uraniul din apele de drenaj in operatiile miniere si din apele subterane contaminate. Chiar si celulele microbiene moarte pot fi utile in tehnologia bioremedierii. Aceste descoperiri sugereaza ca viitoare explorari ale diversitatii microbiene este posibil sa ne conduca la descoperirea de mult mai multe microorganisme cu proprietati unice utile in procesele de bioremediere.

Microorganismele s-au adaptat pentru a tolera prezenta metalelor sau chiar le pot ajuta sa creasca. Astfel, interactiile dintre microorganisme si metale au implicatii importante aupra mediului si sanatatii.Unele implicatii sunt benefice ca de exemplu utilizarea bacteriilor in decontaminarea metalelor. Alte implicatii nu sunt atat de benefice, deoarce prezenta mecanismului de toleranta la metale poate contribui la cresterea rezistentei la antibiotice. Numeroase studii au demonstrat ca toleranta la antibiotice si metale grele a bacteriileor este oarecum inrudita deoarece genele de rezistenta in ambele cazuri sunt situate una langa cealalta in aceeasi plasmida in bacterii si cel mai probabil sunt transferate impreuna in mediu. Datorita raspandirii bacteriilor rezistente la antibiotice, bolile infectioase au devenit din ce in ce mai dificil de tratat si cu costuri destul de ridicate. De aceea, societatea trebuie sa devina mult mai precauta in utilizarea antibioticelor astfel incat san nu se foloseasca doze foarte mari de antibiotice si sa se evite pe cat posibil tranferul de substante antimicrobiene, cum ar fi metalele grele, in mediul inconjurator.

Cresterea utilizarii antibiotice in sanatatea umana ca si in economia agricola si zootehnica, a condus la cresterea rezistentei la antibiotice a bacteriilor. Produsele din categoria dezinfectantilor si metalele grele utilizate in industrie dar si alte

produse de uz casnic, au creat alaturi de antibiotice, o presiune selectiva in mediu ce a condus la mutatii ale microorganismelor care le permite sa supravietuiasca mult mai mult in astfel de medii selective.

In conformitate cu Jefferey Lawrence (2000) gruparea genelor in clusteri pe o plasmida, este in beneficiul acelui organism pentru a supravietui deoarece aceste gene au o probabilitate mai mare de a fi tranferate impreuna de la un organim la altul in timpul procesului de conjugare. Deci, intr-un mediu cu mai multe categorii de stress, de exemplu antibiotice si metale grele, acele bacterii cu genele de rezistenta grupate in clusteri au o probabilitate mai ridicata de a transfera gene de la o bacteria la alta simultan si aceste bacterii vor avea o sansa mult mai mare de supravietuire.

In afara microorganismelor, si plantele pot fi utilizate in procesele de remedierea solurilor contaminate cu metale. Astfel, un rol important o are actualmente studiul fitoremedierii solurilor contaminate cu substante toxice.O buna cunoastere a implicatiilor acestor tehnici de imbunatatire a fitoremedierii ne va ajuta sa minimizam efectele de risc si alte efecte asociate.

Astfel, strategiile biologice actuale sunt desemnate pentru a imbunatati procesele de fitoremediere in vederea reducerii concentratiei metalelor grele din solurile contaminate prin fitoextractia sau fitodegradarea acestora de catre plantele tolerante la toxice. Remedierea mediului utilizand plantele prezinta avantaje in ce priveste costurile care sunt relativ mici, dar si capacitatea ridicata a plantelor de a metaboliza la nivelul tesuturilor compusi organici din clase diferite.

Metode de bioremediere

1. Bioremedierea “in situ”, aplicata cel mai adesea pentru degradarea contaminantilor din solurile saturate sau din apele freatice. Este o metoda superioara pentru curatarea mediul contaminat deoarece este mai ieftina si folosteste organisme microbiene inofensive cu capacitatea de a degrada substantele chimice. Chemotaxia este importanta pentru studierea bioremedierii in-situ deoarece organismele microbiene cu capacitati chemotactice se pot misca intr-o zona care contine contaminanti. De aceea, prin sporirea capacitatii chemotactice ale celulei, bioremedierea in-situ va deveni o metoda avantajoasa si sigura in degradarea componentilor daunatori .

Metodele bioremedierii in-situ (figura 1) prezinta numeroase avantaje cum ar fi: nu necesita escavatii ale solului contaminat fiind astfel mai ieftin de realizat, excavarea solului este minima, deci cantitatea de praf creat este mai mica, si sunt posibile tratamente simultan ale solului si ale apei freatice.

Bioremedierea in-situ prezinta si unele dezavantaje – metoda este indelungata comparativ cu alte metode de remediere, variatiile sezoniere ale activitatii microbiene conduc la expunerea directa la schimbarile factorilor de mediu care nu pot fi controlati. Microorganismele prezinta un comportament normal numai cand materialul prezent le da voie sa produca nutrientii si energia necesara pentru dezvoltarea mai multor celule. Cand aceste conditii nu sunt favorabile atunci si capacitatea lor de a degrada este redusa.

Fig.1 Reprezentarea schematica a procesului de bioremediere “in situ”

2. Bioremediere “ex situ”, necesita escavarea solului contaminat sau pomparea apelor subterane pentru a facilita degradarea microbiana .Aceasta tehnica cuprinde o faza solida si una lichida (figura 2).

Faza lichida: Acest tratament implica combinarea apei cu solul contaminat, si apoi degradarea in bioreactor.

Faza solida: In aceasta faza solul contaminat este alimentat cu nutrienti,umiditate si oxigen pentru a fi descompus.

Fig.2 Reprezentarea schematica a procesului de bioremediere “ex situ”

Metodele de bioremediere cu microorganisme conduc la beneficii si efecte economice, prin elaborarea de tehnologii aplicabile de mediu (depoluarea, reconversia metalelor grele si radioactive, elaborarea de biotehnologii si materiale biologice si sintetice ce pot fi valorificate comercial ), privind sanatatea publica (eliminarea toxicilor din mediu, indepartarea lor din lanturile trofice ), privind depoluarea mediului. Solutiile microbiologice sunt relativ ieftine si nepoluante.

Impactul asupra mediului: indepartarea poluantilor din sol, ape, aer si realizarea unei decontaminari microbiologice nepoluante. Prin indepartarea toxicilor din mediu, are de castigat starea de sanatatea a oamenilor, deoarece lanturile trofice ar fi adus toxicii pana la nivelu acestora. Solutiile propuse in vederea decontaminarii vor aduce beneficii economice, prin aceea ca unii compusi extrem de toxici vor fi recuperati si reutilizati.

Impactul social: se va imbunatatii starea de sanatate a populatiei si se reduce riscul de imbolnavire, in special de maladii degenerative ( datorita mercurului, plumbului, metalelor radioactive etc. ).

Bibiliografie

1. Alexander M., Biodegradation and Bioremediation, Academic Press, San Diego New York Boston

2. Cecal, A., Popa, K. Radioactive wastes, p. 107122. capitol in: Waste Management, (editori: J.

Pretty, V. Oros, C. Draghici), ed. Academiei Romane, Bucuresti, 2003.

3. Drochioiu, G., Damoc, E. N., Przybylski, M. Talanta, 69, 556-564, 2006.

4. http://www.usamvcluj.ro

5. www.chim.upb.ro