Het vermogen van cadmium tolerante Brassica napus geassocieerde bacteriën om fytoextractie van cadmium te bevorden in B. napus

Het reinigen van de bodem met behulp van planten

Veel gebieden zijn vervuild met toxische metalen en oude saneringsmethoden, zoals het afgraven van de vervuilde grond, zijn duur en destructief. Hierdoor is er een nieuwe remediatietechniek ontwikkeld. Fytoextractie maakt gebruik van planten en hun geassocieerde micro-organismen om elementen uit de bodem te extraheren en te transloceren naar de bovengrondse delen van de plant. Dit goedkope proces is vaak traag, maar het toedienen van bepaalde bacteriën kan het proces versnellen. Deze bacteriën zijn best tolerant aan de te remediëren toxische metalen en beschikken over een aantal groeipromoverende eigenschappen.

In deze studie werd het vermogen van tolerante groeipromoverende bacteriën geassocieerd met koolzaad om de fytoextractie van cadmium (Cd) te bevorderen in koolzaad. Bacteriën werden geïsoleerd uit de bodem, rhizosfeer (RS), wortel (W), stengel en blad. Verder waren ze afkomstig van een met Cd, zink (Zn) en lood (Pb) vervuild veld in Lommel (L) en een niet-vervuild, controle veld in Alken (A) begroeit met koolzaad en vervolgens fenotypisch en genotypisch gekarakteriseerd. Hierbij werden een aantal groeipromoverende eigenschappen bestudeerd. Deze eigenschappen zijn pH verlaging, productie van organische zuren en sideroforen, waardoor de toxische metalen beter beschikbaar worden en fosfaat solubilisatie, stikstoffixatie en de productie, 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase (ACC), en de plantenhormonen indool-3-azijnzuur (IAA) en acetoïne, waardoor groeipromotie van de plant optreedt. Verder werd gekeken of de planten tolerant waren aan verschillende concentraties Cd en Zn.

Een aantal interessante bacteriën werd gebruikt in een potexperiment op Cd vervuilde zand. Koolzaad zaadjes werden voor het zaaien geïnoculeerd waarna een wekelijkse potinoculatie volgde. De planten werden geoogst na 4 weken, waarna de inoculatie-effecten bestudeerd werden. De biomassa alsook het stressgehalte en de hoeveelheid Cd in de bodem en de scheut werden bepaald om te zien of de inoculatie kon zorgen voor grotere, gezondere planten met een verhoogde Cd opname. Om de inoculatie-effecten statistische te analyseren werd gebruik gemaakt van één weg ANOVA gevolgd door de Dunnett post hoc test in R 2.15.3, waarbij indien nodig gebruik werd gemaakt van transformaties om de data normaal verdeeld te krijgen. Indien dit niet werkte werd gebruik gemaakt van een krustal wallis test. Bacterie RSL 32a vertoonde een significant effect in biomassaverhoging, de bacteriën  RSA 16a, RSA 23a, WA 3d, WL 10a, WL 13a, WL 55a en WL 55b maakten de Cd in de bodem significant beter beschikbaar, waarbij bacterie WL 55b ook zorgde voor een lichte stijging in het Cd gehalte van de scheut. RSL 43b zorgde voor een significante daling van het stressgehalte in het blad en de bacteriën RSA 16a, RSA 23a, WL 10a, WL 55a en WL 55b verlaagden het stressgehalte in het blad lichtjes.

Opvallend was dat de geselecteerde bacteriën uit de wortel en de rhizosfeer kwamen en dat de meeste bacteriën met gunstige groeipromoverende eigenschappen uit Lommel kwamen. Dit is te verklaren doordat er hogere concentraties bacteriën aanwezig zijn in de rhizosfeer dan in de bodem en dit is ook het geval in de wortel ten opzichte van stengel en blad. Verder is Lommel de verontreinigde site, waardoor planten hier specifieke bodemexudaten uitscheiden, waardoor er een selectie van bacterie kan optreden die al Cd tolerant zijn en goede groeipromoverende eigenschappen bezitten.

Bacterie 32a, zorgde voor een significante biomassaverhoging en kwam uit de rhizosfeer van planten uit Lommel. Opvallende eigenschappen van deze bacterie waren de siderefoorproductie, de ACC deaminase activiteit en de vooral de hoge fosfor solubilisatie. De siderofoorproductie en fosfor solubilisatie zorgen voor een directe groeipromotie door respectievelijk ijzer en fosfor beter beschikbaar te maken. Deze elementen worden in andere planten waarschijnlijk minder goed opgenomen, waardoor deze planten minder goed kunnen groeien. Bacterie 32a verhelpt dit tekort, waardoor de planten beter kunnen groeien. Verder zorgt de ACC deaminase activiteit voor een verminderd stressgehalte, waardoor de plantengroei weer bevorderd wordt.

Bij zowel de beschikbare metaalconcentratie in de bodem als de metaalconcentratie in de scheut waren de eigenschappen pH verlaging en productie van sideroforen en organische zuren van belang. Hier werd geen link gevonden tussen deze groeipromoverende eigenschappen enerzijds en verhoogde metaalbeschikbaarheid of opname anderzijds. Geen enkele bacterie had een significant effect op de opnamen van Cd in de scheut, alleen bacterie 55b verhoogde het Cd gehalte in de scheut lichtjes. Mogelijke oorzaak hiervan is de korte groeiperiode, waardoor de Cd de scheut nog niet bereikt kon hebben of er nog geen accumulatie opgetreden was. In de wortel zou daardoor wel een significant effect aanwezig geweest kunnen zijn. Hiernaast staat de wortel in direct contact met het medium waarin zicht Cd bevindt. De rede waarom gekozen werd om het cadmiumgehalte in de scheut te bepalen, is dat in het veld ook alleen de scheut geoogst wordt.

Bacteriën met het enzym ACC deaminase zijn in staat om het stressgehalte in de plant te laten dalen. Bacterie RSL 43b zorgde voor een significante afname van het stressgehalte, wel vertoonden meerdere bacteriën, zoals eerder vermeld, een trend in afname van stress. Omdat niet alle bacteriën die positief voor ACC testen, de stress verminderen moet er ook nog een ander mechanisme zijn waarmee bacteriën de stress kunnen verlagen. Dit zou een metaal resistentie-sequestratie systeem kunnen zijn. Bacteriën die over dit systeem beschikken kunnen metaal ionen opnemen en onschadelijk maken door ze neer te slaan op hun celwand. Hierdoor ondervindt de plant minder stress. Voor dit systeem werd niet getest, dus bestaat er geen zekerheid over de aanwezigheid van een dergelijk systeem. Alle bacteriën die het stressgehalte konden laten dalen waren tolerant voor de hoogst geteste Cd concentratie, waardoor de aanwezigheid van een resistentie-sequestratie systeem wel vermoedt wordt.

Bacterie RSL 32a vertoonde enkel een significant effect in biomassaverhoging. Twee geteste rhizosfeer bacteriën uit Alken en 3 wortelendofyten uit Lommel konden de Cd in de bodem biobeschikbaarder maken en het stressniveau in de plant doen dalen. Hierdoor zijn deze 5 bacteriën ook het meest geschikt voor verder onderzoek. Slecht één van deze bacteriën vertoonde een lichte stijging in het Cd gehalte in de scheut, bacterie WL 55b, waarmee dan ook best in combinatie bacterie RSA 32a, een groeipromoverende bacterie, verder gewerkt kan worden.