Bacterial inoculation in "Helianthus tuberosus" for improving phytoremediation of metal-polluted soils
- Autores: Blanca Montalbán Ginés
- Directores de la Tesis: Carmen Lobo Bedmar (dir. tes.), Nele Weyens (dir. tes.), Araceli Pérez Sanz (dir. tes.), Jaco Vangronsveld (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2015
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Pilar Zornoza Soto (presid.), Rocío Millán Gómez (secret.), Markus Puschenreiter (voc.), PIlar Garcia Gonzalo (voc.), Petra Kidd (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
Inoculación de bacterias en Helianthus tuberosus para mejorar la fitorremediación de suelos contaminados con metales La minería y las industrias metalúrgicas, así como el uso de fungicidas y fertilizantes inorgánicos han incrementado los niveles de metales y metaloides en los suelos. Los metales constituyen un problema global debido a su elevada capacidad para acumularse en la cadena trófica, su toxicidad y su persistencia en el medio ambiente, que supone un riesgo para las aguas superficiales y subterráneas. Las tecnologías convencionales de remediación de suelos son elevadamente caras, invasivas y pueden generar problemas ambientales añadidos, como la degradación del propio suelo. Por otro lado, las fitotecnologías son técnicas sostenibles de remediación de suelos que utilizan plantas, microorganismos y enmiendas para reducir la concentración y biodisponibilidad de los contaminantes, y además contribuyen a dar un uso sostenible a zonas en desuso.
Una de las mayores limitaciones de las fitotecnologías, en suelos contaminados con metales, es el largo tiempo necesario para descontaminar el suelo y alcanzar los niveles permitidos. El uso de cultivos energéticos, capaces de acumular metales, puede compensar el tiempo requerido en esta tecnología con la producción de biomasa con valor económico.
Brachypodium distachyon (L.) Beauv. es la primera planta de la familia Poaceae que ha sido secuenciada. Esta planta ha sido propuesta recientemente como modelo para el desarrollo de nuevas energías sostenibles. Aumentar el conocimiento sobre la tolerancia y la acumulación de metal de esta nueva planta modelo puede ayudar a entender los mecanismos de toxicidad a nivel molecular, así como de genes y proteínas implicadas en la respuesta de las plantas a altas concentraciones de metales. El primer objetivo de este trabajo fue estudiar la habilidad de las semillas de B. distachyon de germinar y crecer en condiciones in vitro con Cd, As (V), Zn o Cr (VI) en comparación con dos cultivos energéticos conocidos por su tolerancia a metales, Brassica napus L. y Helianthus annuus L. Altas concentraciones de Cd, Zn y As (V) no afectaron a la germinación de las semillas de las especies estudiadas. El máximo nivel de toxicidad se encontró en plantas tratadas con Cr (VI). La biomasa solamente se redujo a altas dosis de los metales estudiados. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, B. distachyon mostró una alta capacidad de germinar y crecer en presencia de altas dosis de Cd, As (V) y especialmente de Zn, lo que sugiere que esta planta puede ser un modelo apropiado para estudiar cultivos energéticos tolerantes a metales, y los mecanismos implicados en la respuesta al estrés por Zn a nivel molecular.
Por otro lado, Helianthus tuberosus L. es un cultivo de alta biomasa, recientemente propuesto como candidato para ser utilizado en fitotecnologías de suelos contaminados con metales. Esta especie presenta características agronómicas que pueden ser útiles en fitotecnologías, como su alta capacidad de colonización y adaptación a diferentes tipos de suelo, incluyendo suelos pobres en nutrientes y salinos, así como su resistencia a plagas y enfermedades. Este cultivo se propaga por tubérculos, de forma diferente a los otros cultivos estudiados, lo que complicó su crecimiento en condiciones in vitro con agar. Después de sucesivas pruebas en condiciones controladas, la hidroponía con substrato fue elegida como el método más apropiado para evaluar su habilidad para crecer y acumular metales. Este sistema de crecimiento permitió dar soporte al tubérculo y a la vez permitió el desarrollo del sistema radicular en condiciones controladas.
El crecimiento, la acumulación de metal, así como las interacciones entre metales y nutrientes en dos variedades de H. tuberosus (VR y D19), conocidas por su elevada producción de biomasa, se evaluaron en este trabajo. Para ello, se realizaron tres experimentos en condiciones de hidroponía en el invernadero con tres mezclas diferentes de metales y metaloides. La variedad D19 acumuló concentraciones más altas de metal que VR, y además mostró una movilización efectiva de Pb a la parte aérea. Aunque ambas variedades mostraron una gran capacidad para crecer en presencia de múltiples metales y metaloides, D19 mostró mejores características que VR para ser utilizada en fitotecnologías.
Las mayores limitaciones para aplicar la fitoextracción en suelos contaminados con metales son la disponibilidad del metal en el suelo y su toxicidad para la planta. La interacción entre plantas y bacterias capaces de promover el crecimiento de plantas puede ayudar a aumentar la producción de biomasa y mejorar la tolerancia de la planta a los metales disminuyendo la fitotoxicidad. El segundo objetivo se centró en aislar y caracterizar las comunidades bacterianas asociadas a Brassica napus en un suelo contaminado con Zn, para seleccionar bacterias capaces de promover el crecimiento y la tolerancia a metales de cultivos energéticos de alta biomasa. Un total de 426 cepas bacterianas morfológicamente diferentes fueron aisladas de suelo, rizosfera, raíz y tallo de B. napus. Aunque la mayoría de las cepas bacterianas mostraron características que pueden promover el crecimiento de plantas, una cepa de suelo (Arthrobacter sp. 222), una cepa de rizosfera (Staphylococcus sp. 25) asociada a B. napus, y cuatro endófitos de raíz (Pseudomonas sp. 228, Serratia sp. 246, Pseudomonas sp. 256, Pseudomonas sp. 262) mostraron una elevada actividad ACC deaminasa, producción de sideróforos y ácidos orgánicos, capacidad para solubilizar fosfato y fijar nitrógeno durante los test fenotípicos; y por ello, fueron seleccionadas para ser inoculadas en planta. La inoculación de semillas de B. napus con Arthrobacter sp. 222 Pseudomonas sp. 228, Serratia sp. 246, Pseudomonas sp. 256 y Pseudomonas sp. 262 aumentó el crecimiento de la raíz en presencia de Zn (1000 µM) o Cd (300 µM) en placas de agar verticales.
Las cinco cepas bacterianas que aumentaron el crecimiento de la raíz en plántulas de B. napus fueron inoculadas en H. tuberosus en condiciones de hidroponía con Cd (0.1mM) y Zn (1mM) con el objetivo de evaluar el efecto de las bacterias sobre el crecimiento, la acumulación de metal y el estrés oxidativo en este cultivo. La inoculación de Pseudomonas sp. 228, Serratia sp. 246 y Pseudomonas sp. 262 aumentó el crecimiento de la variedad D19 de H. tuberosus en presencia de Cd o Zn, y la inoculación de Pseudomonas sp. 228, Serratia sp. 246 y Pseudomonas sp. 256 disminuyó el contenido de compuestos reactivos del ácido tiobarbitúrico (TBA) en la raíz de plantas crecidas con Zn. Tanto la mejora del crecimiento, como la disminución del estrés inducido por metales observados en plantas inoculadas con bacteria, fueron más pronunciadas en la variedad D19 que en VR.
En un estudio posterior, las cinco cepas bacterianas fueron inoculadas en la variedad D19 de H. tuberosus en un suelo contaminado con Cd-Zn para evaluar la eficiencia de estas bacterias en el crecimiento y la acumulación de metal de la planta cuando existe competencia con otros microorganismos del suelo, y los metales y nutrientes se encuentran menos disponibles. En este último estudio, las cepas bacterianas se inocularon de manera individual y en consorcio. La inoculación individual no afectó al crecimiento de H. tuberosus en condiciones de suelo, si bien la acción conjunta de las bacterias añadidas como consorcio aumentó la biomasa, la acumulación de Pb y Zn y la actividad de la enzima málica e isocitrato deshidrogenasa en raíz, y glutatión reductasa en hojas. Estos efectos indicaron que se estableció una relación entre las bacterias inoculadas y H. tuberosus. Esta relación fue apoyada por la observación en microscopia laser confocal de la bacteria marcada con el plásmido de fluorescencia verde adherida a los pelos radiculares, y por el aumento de los pelos radiculares en plantas de H. tuberosus inoculadas con el consorcio.
Los endófitos de raíz de B. napus afectaron a la estructura de la raíz de H. tuberosus, indicando que las bacterias inoculadas pueden promover el crecimiento en una especie diferente de la hospedadora inicial. H. tuberosus acumuló más de 1000 mg.kg-1 de Zn en la parte aérea, en un suelo contaminado con Cd y Zn. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, la variedad D19 de H. tuberosus en combinación con el consorcio inoculado puede considerarse una estrategia apropiada para utilizarse en el manejo sostenible de suelos contaminados con metales.
