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La simbiosis rizobio-leguminosa como bioherramienta para la fitorremedación de suelos contaminados con metales pesados

  • Autores: Mohammed Dary
  • Directores de la Tesis: Miguel Ángel Caviedes Formento (dir. tes.), Eloísa Pajuelo Domínguez (dir. tes.)
  • Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2016
  • Idioma: español
  • Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Juan González López (presid.), Ignacio Rodríguez Llorente (secret.), Juan Parrado Rubio (voc.), Manuel Megías Guijo (voc.), Manuel Enrique Vazquez Tatay (voc.)
  • Materias:
  • Enlaces
    • Tesis en acceso abierto en: Idus
  • Resumen
    • Introducción Se estima que la tercera parte de los suelos está degradada o contaminada como consecuencia de actividades antropogénicas. La industrialización global, por ejemplo, ha supuesto la liberación de enormes cantidades de compuestos tóxicos a la biosfera, que afectan a la salud de millones de personas en todo el mundo. A diferencia de la biodegradación de tóxicos orgánicos, los elementos básicos que contaminan suelos, aguas o aire, como metales pesados, metaloides y radioisótopos, no pueden degradarse debido a su naturaleza elemental. Esto favorece su acumulación y su persistencia en el ambiente, convirtiéndolos en especialmente dañinos. La atenuación natural es un proceso físico-químico o biológico que contribuye a la desaparición de los contaminantes del suelo de forma natural. Aunque es una opción de bajo coste, por su lentitud, es incapaz de contrarrestar la contaminación generada por la actividad humana al ritmo que ésta avanza actualmente, por lo que en ocasiones es imposible que el suelo pueda restaurarse por sí solo. Desde hace unos años, se tiende a utilizar, cuando es posible, la capacidad de detoxificación de contaminantes de algunos organismos vivos, sobre todo microorganismos y plantas, como una herramienta útil y eficaz para combatir la contaminación. Así ha surgido la biorremediación, una tecnología eficaz para el tratamiento de una amplia variedad de contaminantes. La fitoestabilización de metales es una estrategia de biorremediación que persigue la inmovilización de los metales en el suelo, impidiendo su dispersión y su entrada en la cadena trófica. La fitoestabilización resulta un método adecuado y barato para reducir de forma inmediata el impacto negativo de la contaminación. Se puede utilizar también en áreas contaminadas muy extensas o inaccesibles donde otros procedimientos de remediación son impracticables. Esta estrategia utiliza plantas con gran tolerancia a metales cuyo mecanismo de resistencia consiste en disminuir la disponibilidad del metal en el suelo y restringir su entrada en los tejidos. Los metales se acumulan en las raíces de la planta o son precipitados por exudados radicales. Precisamente, las leguminosas acumulan metales fundamentalmente en las raíces por lo que son excelentes candidatas para su empleo como fitoestabilizadoras. La rizorremediación, otra alternativa de la biorremediación, hace referencia a la eliminación de contaminantes por medio de la interacción entre las raíces de la planta y los microorganismos rizosféricos asociados a éstas. Actualmente, se le considera como el proceso de biorremediación más evolucionado. La rizorremediación es un proceso atractivo, puesto que la raíz de la planta proporciona una gran superficie para la colonización microbiana, permitiendo a los microorganismos desplazarse en profundidad a través de las capas del suelo y, de esta forma, incrementar el contacto entre los microorganismos detoxificantes y los contaminantes del suelo. Debido a su capacidad para formar órganos especializados en simbiosis con bacterias, en los que se produce la fijación biológica de nitrógeno atmosférico las leguminosas se han utilizado tradicionalmente como un método ecológico para incrementar el contenido de nitrógeno de los suelos ya que su cultivo no precisa de la adición de fertilizantes nitrogenados. Por ello, también se han utilizado en la regeneración de suelos degradados. En los últimos años se han publicado muchos trabajos en los que se propone el uso de leguminosas, en asociación simbiótica con rizobios, como metodología para la recuperación de suelos contaminados. También es frecuente la utilización de consorcios bacterianos que combinan los rizobios con otros microorganismos rizosféricos con propiedades PGPR (¿Plant growth promoting rhizobacteria¿). Teniendo en cuenta que las leguminosas acumulan estos compuestos tóxicos principalmente en las raíces, siendo pobre la translocación a la parte aérea de las plantas, su utilización preferente sería como fitoestabilizadoras de metales. La inoculación de leguminosas con bacterias resistentes a metales pesados o arsénico parece una tecnología adecuada para su utilización en la fitoestabilización de estos elementos en el suelo, permitiendo la revegetación de zonas contaminadas. Para ello, sería necesario disponer de inoculantes eficientes desde el punto de vista de la biorremediación y adaptados a las condiciones de cada suelo. Por ejemplo, rizobios resistentes a elevadas concentraciones de arsénico que nodularan eficientemente su leguminosa específica manteniendo intacta su capacidad fijadora de nitrógeno.

      Objetivos El Objetivo general de la Tesis es el desarrollo de una herramienta útil para la biorremediación de suelos contaminados con metales pesados, aprovechando las interacciones simbióticas entre plantas leguminosas y bacterias rizosféricas. Para conseguir este objetivo general, se han propuesto los siguientes objetivos específicos: 1) Comprobar el efecto de algunos metales pesados sobre la interacción simbiótica Rhizobium-leguminosa; 2) Estudiar in vitro el efecto fitotóxico del arsénico sobre la nodulación de alfalfa (Medicago sativa) por la bacteria Sinorhizobium sp. MA11 (Ensifer medicae MA11), marcada con el gen lacZ, en comparación con la cepa de referencia Sinorhizobium meliloti 1021 (Ensifer meliloti 1021); 3) Valorar el efecto de la co-inoculación de Rhizobium junto a otras bacterias rizosféricas en el aumento de la biomasa vegetal y la nodulación en las leguminosas, a través de experimentos in situ realizados en suelos contaminados con metales pesados; 4) Evaluar la acumulación de metales pesados en tejidos de Lupinus luteus y su capacidad para la fitoestabilización in situ, cuando estas plantas se asocian a rizobacterias promotoras del crecimiento vegetal (PGPR) autóctonas y resistentes a metales pesados, en un suelo contaminado por el vertido tóxico de la mina de Aznalcóllar (Sevilla); 5) Determinar la resistencia a metales pesados de la cepa Ochrobactrum cytisi Azn6.2 y su potencial en la bioadsorción y/o bioacumulación de cadmio; 6) Analizar la rizo-estabilización de metales en suelos mediante la utilización de plantas de Lupinus luteus inoculadas con la rizobacteria multirresistente a metales pesados Serratia sp. MSMC541.

      Conclusiones Los principales hitos alcanzados en esta Tesis Doctoral han sido los siguientes. En suelos contaminados por metales pesados se han aislado cepas de Sinorhizobium medicae que presentan una elevada capacidad de resistencia a arsénico, pero mantienen sus propiedades simbióticas. Sin embargo, el número de nódulos producidos es menor cuando infectan leguminosas que crecen en suelos contaminados por metales pesados. Las primeras etapas de la nodulación de alfalfa son más sensibles que las correspondientes a la fijación de nitrógeno. Concentraciones de arsenito sódico entre 25 y 35 µM producen una disminución de hasta el 25% en el número total de nódulos debido a una reducción cercana al 90% del número de infecciones por los rizobios. Sin embargo, una vez que la nodulación se ha establecido, el desarrollo nodular parece continuar con normalidad y los nódulos son efectivos, aunque en las plantas crecidas en presencia de arsénico se pudo apreciar una senescencia más temprana. La reducción en el número de infecciones por rizobios pudo deberse probablemente a ciertos efectos en la planta, que incluían necrosis de la raíz, daño en los pelos radicales y una zona infectiva de la raíz más corta. La leguminosa Lupinus luteus es una planta adecuada para la estabilización de metales pesados en suelos contaminados cuando la cantidad presente de dichos metales es moderada. Se ha constatado un efecto positivo en la fitoestabilización de metales en suelos contaminados cuando se co-inocula Bradyrhizobium junto con otras bacterias PGPR resistentes a metales puesto que, por una parte se incrementa la biomasa vegetal y el nitrógeno fijado, y por otra disminuye la acumulación del metal en la planta, lo que previene el impacto del metal en la cadena trófica. La cepa Ochrobactrum cytisi Azn6.2 es adecuada para la eliminación de metales en soluciones acuosas debido a su alta tasa de crecimiento y su gran capacidad de bioadsorción del metal. La bioadsorción y desorción de cadmio por las células de O. cytisi Azn6.2 podría constituir un método muy útil para limpiar efluentes contaminados con cadmio y recuperar el metal. Se propone la utilización de plantas de Lupinus luteus inoculadas con la rizobacteria multirresistente a metales pesados Serratia sp. MSMC541 como un método eficaz para la fitoestabilización de metales pesados en suelos contaminados.


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