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Por Adriana Almeida

En este artículo hablaré sobre un tema que me apasiona: la fitoremediación. Espero que en el transcurso de esta lectura pueda ayudarte a entender que es la fitoremediación, cuales son sus implicaciones, y como las bacterias endófitas, las rizobacterias y las plantas cooperan naturalmente en favor de preservar los recursos naturales.  

Remediación versus fitoremediación 
Remediación
Desde 1970 hasta inicios del siglo XXI, la manera de recuperar zonas contaminadas (aire, suelo, agua superficial y agua subterránea) se basó en tecnologías de remediación de ingeniería, divididos en dos grandes grupos, remediación in situ y remediación ex situ. Remediación in situ se basa en la descontaminación de zonas contaminadas en el mismo lugar en donde se ha producido la contaminación. En cambio, en la remediación ex situ, el suelo o el agua contaminada son removidos de su ambiente natural, transportados a otro lugar para ser descontaminados (generalmente por procesos químicos) y finalmente se reincorporan al sitio original [1]. La remoción del suelo para su tratamiento químico genera daños catastróficos en su estructura pues al ser removido, los diferentes perfiles que lo componen son mezclados. Igualmente, tanto en la remediación in situ como en la ex situ, se generan daños irreparables en la dinámica ecológica del suelo que allí sucede, pues al ser tratado químicamente, se reducen o eliminan las poblaciones de organismos que lo habitan naturalmente (microorganismos, hongos, animales y plantas). Lo mismo ocurre en el caso del tratamiento químico del agua.  

Fitoremediación 
La fitoremediación es un proceso natural, por medio del cual las plantas durante su crecimiento y desarrollo, pueden absorber compuestos contaminantes del suelo, del agua o del aire, generando una reducción en la concentración o una disminución en la toxicidad de dichas substancias (definido por la agencia para la protección ambiental de los Estados Unidos de America, sigla en inglés USEPA; [2]. La fitoremediación es un proceso sostenible, pues permite mantener y/o recuperar las poblaciones de organismos en sitios contaminados.

Hay diferentes formas en las que las plantas pueden hacer fitoremediación. Por un lado pueden acumular las substancias contaminantes sin que sea dañino para ellas; también pueden transformar dichos compuestos mediante su metabolismo, generando la inactivación, degradación o inmovilización de contaminantes. Igualmente, las plantas pueden remover los contaminantes del suelo y liberarlos a la atmósfera mediante el proceso de evapotranspiración (evaporación de agua en las hojas o los tallos durante la fotosíntesis) [1]. Una vez las plantas han descontaminado un sitio en particular, sus tejidos pueden ser extraídos del sitio y si aun contienen trazas de contaminantes, pueden ser incinerados.

¿Y en dónde entran las bacterias a hacer parte de esta historia?
A pesar que la maquinaria genética de muchas especies de plantas les permiten tolerar niveles de contaminantes, estudios realizados por botánicos y microbiólogos han encontrado que ciertas plantas hacen el proceso de fitoremediación gracias a la asociación simbiótica (relaciones mutualistas entre organismos, en las que ambos se benefician) con bacterias endófitas y rizobacterias. Las bacterias endófitas se llaman así porque hacen de los tejidos internos de las plantas su nicho (el ambiente en donde viven naturalmente), colonizando los espacios entre las células (conocidos como espacios intracelulares) sin generar ningún efecto negativo para la planta que las hospeda [3]. Las rizobacterias, son aquellas que viven en el suelo en asociación con las raíces de las plantas. Estas bacterias ayudan a la planta en su crecimiento, pues mejoran el ciclo de nutrientes del suelo, liberando nitrógeno, fósforo y otros nutrientes de moléculas complejas para poder ser absorbidas por las raíces de las plantas [4]. En este documento, hablaremos de las bacterias endófitas, ya que son ellas quienes juegan un papel fundamental en la fitoremediación, pues ayudan directamente a la planta a tolerar y a sobrevivir en ambientes contaminados.

Las bacterias endófitas
Actualmente se conocen cerca de 300000 especies de plantas en el planeta y se piensa que cada planta puede hospedar una o mas especies de bacterias endófitas (Figura 1) [5].

Estudios han demostrado que las bacterias endófitas pueden ser fundamentales para la supervivencia de las plantas, pues las ayudan a controlar ataques de patógenos, insectos y nemátodos [6], debido a que pueden identificar la presencia de estos organismos en la planta de una manera rápida y ayudan en el desencadenamiento del fenómeno de inducción del sistema de resistencia (ISR) de las plantas [7]. Igualmente se ha encontrado que las bacterias endófitas pueden ayudar a las semillas a germinar y a las plántulas a establecerse más rápidamente en ambientes adversos estimulando su crecimiento [8]. Todos estos beneficios son posibles gracias a la capacidad de las bacterias en general, de sintetizar substancias metabólicas como antibióticos y fungicidas [9], al igual que otros metabolitos secundarios que incluyen compuestos anticarcinogénicos, compuestos volátiles orgánicos, antivirales y agentes inmunosupresores (substancias que inhiben o previenen la acción del sistema inmune) [10]. Igualmente se han encontrado que muchas de las bacterias endófitas son resistentes a metales pesados, antibióticos, y son capaces de degradar compuestos orgánicos complejos [11] y herbicidas [12].

endofitas

Figura 1. Cinco de los taxa bacterianos más conocidos por su capacidad endófita son: Cellulomonas, http://genome.jgi-psf.org/celfl/celfl.home.html (a); Clavibacter, http://www.oardc.ohio-state.edu/mcic/ (b); Curtobacterium, http://ijs.sgmjournals.org/content/57/7/1447/suppl/DC1 (c); Pseudomonas, http://www.pseudomonas.com/p_aerug.jsp (d); y Microbacterium, http://www.kmle.co.kr/ (e).

Bacterias endófitas y fitoremediación

Estudios han demostrado que tipo de plantas pueden crecer y tolerar niveles de contaminación en su ambiente sin mostrar signos de intoxicación. El nivel de tolerancia de la planta depende del tipo de bacteria endófita con la que está asociada. A continuación se muestran algunos ejemplos.

En un estudio se encontró que una bacteria endófita del álamo híbrido es capaz de biodegradar numerosos compuestos explosivos como es el caso de 2,4,6-trinitrotolueno (también conocido como TNT, un explosivo mundialmente utilizado), RDX (del inglés Research Department Explosive) y HMX (conocido también como octogen) [13]. Estas bacterias fueron capaces de mineralizar el 60% de estos explosivos en forma de dióxido de carbono en aproximadamente dos meses.

En otro estudio, plantas de arveja fueron inoculadas con una bacteria endófita del género Pseudomonas, capaz de degradar el herbicida 2,4- acido diclorofenoxiacético, también conocido como 2,4-D. Plantas inoculadas y no inoculadas fueron expuestas al herbicida. Las plantas inoculadas crecieron saludablemente y análisis en sus tejidos no mostraron ninguna acumulación del herbicida, mientras que las plantas sin inocular mostraron una alta acumulación del herbicida en sus tejidos y claros efectos de intoxicación como crecimiento retardado, caída de hojas y desarrollo de callos (estructuras similares a tumores) en sus raíces [12].  

Programas de fitoremediación para descontaminar

Los ejemplos enunciados anteriormente muestran el potencial que tiene el uso de plantas asociadas con bacterias endófitas en programas de fitoremediación de sitios contaminados. Nueva Zelanda y Australia han sido países pioneros en el uso de la fitoremediación. Estudios realizados por Brooks desde los 90’s, han permitido la identificación de numerosas especies de plantas nativas en Australia y Nueva Zelanda, con la capacidad de acumular metales pesados, o que pueden ser utilizadas como ‘bombas de agua’ biológicas para la inmovilización y degradación de pesticidas [14].

El uso de la fitoremediación en programas de descontaminación de aguas negras está siendo ampliamente utilizado en Estados Unidos, Canadá y La Unión Europea. En la mayoría de estos programas se han utilizados álamos y sauces los cuales tienen la capacidad de crecer rápidamente y de consumir grandes cantidades de agua diariamente [15]; [16].

En Latinoamérica, pocos estudios se han desarrollado para el reconocimiento de especies nativas que puedan ser utilizadas en programas de fitoremediación. Sin embargo, existe un gran potencial de especies candidatas para este fin, debido a la gran diversidad de plantas existentes y a la gran cantidad de yacimientos de minerales metálicos [17].

Perspectivas en fitoremediación

Actualmente se están haciendo estudios biotecnológicos para generar cepas bacterianas con nuevas resistencias a contaminantes, mediante la transferencia horizontal de genes que ocurre naturalmente en las bacterias o por medio de técnicas de recombinación de ADN en el laboratorio. Estas cepas modificadas pueden producir enzimas específicas con la capacidad de degradar cierto tipo particular de substancias tóxicas. Adicionalmente, se están evaluando nuevas asociaciones entre bacterias endófitas y plantas que permitan acelerar la captura y degradación de sustancias contaminantes, reduciendo así los tiempos de descontaminación y estableciendo este tipo de proceso como una alternativa sostenible, amigable con el ambiente y económica en comparación a los procesos de descontaminación tradicionales de ingeniería. Sin embargo, es importante que los científicos que están desarrollando este tipo de investigaciones tengan en cuenta los posibles riesgos que nuevas cepas bacterianas pueden generar en los ecosistemas y que se tomen las medidas de protección necesarias para evitar que estas nuevas cepas bacterianas se conviertan en especies invasoras que pueden competir agresivamente con las poblaciones bacterianas que habitan naturalmente los ambientes a descontaminar.

Como vimos anteriormente, muchos de los metabolitos secundarios que son producidos por las bacterias endófitas tienen propiedades anticarcinogénicas, antibióticas, antivirales y de capacidad inmunosupresora. La investigación de estos compuestos pueden generar gran impacto a nivel farmacéutico, generando todo un nuevo campo de investigación para beneficio de la salud humana y animal.

Referencias

[1]McGuinness M and Dowling D. 2009. Plant-associated bacterial degradation of toxic organic compounds in soil. International Journal of Environmental Research and Public Health. 6: 2226- 2247.

[2]http://cfpub.epa.gov/ncer_abstracts/index.cfm/fuseaction/display.abstractDetail/abstract/7879

[3]Posada F & Vega FE. 2005. Establishment of the fangal entomopathogen Beauveria Bastiana (Ascomycota: Hypocreales) as an endophyte in cocoa seedlings (Theobroma cacao). Mycologia 97: 1195- 1200.

[4]Wakelin S, Warren R, Harvey P & Ryder M. 2004. Phosphate solubilization by Penicillium spp. Closely associated with wheat roots. Bio Fert Soils 40: 36-43.

[5]Strobel G, Daisy B, Castillo U & Harper J. 2004. Natural products from endophytic microorganisms. Journal of Natural Products 67: 257-268. [6]Hallmann J, Quadt-Hallmann A, Rodriguez-Kabana R & Kloepper JW. 1998. Interactions between Meloidogyne incognita and endophytic bacteria in cotton and cucumber. Soil Biology and Biochemistry 30: 925-937.

[7]Kloepper JW & Ryu C-M. 2006. Bacterial endophytes as elicitors of induced systemic resistance. Microbial Root Endophytes (Schulz BJE, Boyle CJC & Sieber TN, eds) pp. 33- 52. Springer-Verlag, Berlin.

[8]Bent E & Chanway CP. 1998. The growth-promoting effects of a bacterial endophyte on lodgepole pine are partially inhibited by the presence of other rhizobacteria. Canadian Journal of Microbiology. 44: 980- 988.

[9]http://biogenic-colombia.blogspot.com/

[10]Lodewyckx C, Vangronsveld J, Porteous F, Moore ERB, Taghavi S, Mezgeay M & van der Lelie D. 2002. Endophytic bacteria and their potential applications. Crit Rev Plant Science. 21: 583- 606.

[11]Ryan RP, Germaine K, Franks A, Ryan DJ & Dowling DN. 2008. Bacterial endophytes: recent developments and applications. FEMS Microbiol Lett. 278: 1- 9.

[12]Germaine K, Liu X, Cabellos G, Hogan J, Ryan D & Dowling DN. 2006. Bacterial endophyte-enhanced phyto-remediation of the organochlorine herbicide 2,4-dichlorophenoxyacetic acid. FEMS Microbiol Ecol. 57: 302- 310.

[13]Lodewyckx C, Taghavi S, Mergeay M, Vangronsveld J, Clijsters H & van der Lelie D. 2001. The effect of recombinant heavy metal resistance endophytic bacteria in heavy metal uptake by their host plant. Int J Phytoremediation. 3: 173- 187.

[14]Robinson B and Anderson C. 2007. Phytoremediation in New Zealand and Australia. Methods in Biotechnology, vol 23: Phytoremediation: Methods and Reviews (Willey N ed). Humana Press Inc. Totowa, NJ.

[15]Hurdle P and Krygier R. 2011. Development of a decision support tool comparing engineering Solutions to short rotation Woody crop plantations for treatment of municipal sewage wastewater. Oral presentation. Poplars and Willows of the praries. Poplar Council of Canada. Edmonton, Alberta. Canada. 18-24 September 2011.

[16]Labrecque M, Pitre F, Joly S, St-Arnaud M, Hijri M, Lang BF, Burger G, Courchesne F, Jabajii S, Konstantinos A, Greer C, and Yergeau E. 2011. Improving bioremediation of polluted soils through environmental genomics- A new initiative supported by Genome Canada. Oral presentation. Poplars and Willows of the praries. Poplar Council of Canada. Edmonton, Alberta. Canada. 18-24 September 2011.

[17]Ginocchio R & Baker AJM. 2004. Metalófitas en América Latina: un recurso biológico y genético único poco conocido y estudiado en la region. Revista Chilena de Historia Natural 77: 185- 194.

 

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BIOGENIC (Biólogos Genetistas Colombianos) surgió en el 2003 en Cali - Colombia, cuando un grupo de amigos que trabajábamos en el Centro Internacional de Agricultura Tropical (CIAT) nos reunimos con la idea de contribuir activamente en la divulgación y promoción de la investigación científica en el área de genética y disciplinas afines.

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