Genotypische en fenotypische karakterisatie van bacteriën geïsoleerd uit een 2,4-DNT verontreinigde bodem

Sofie Thijs
Persbericht

Genotypische en fenotypische karakterisatie van bacteriën geïsoleerd uit een 2,4-DNT verontreinigde bodem

 

Duurzame sanering van bodems vervuild met explosieven

 

Bacteriën ontwapenen de bodem

 

 

België kent door zijn oorlogsverleden, de explosievenindustrie en de huidige militaire activiteiten op oefen- en schietterreinen, ernstig vervuilde bodems. Het gaat onder meer over vervuiling door hoog energetische springstoffen zoals Trinitrotoleen (TNT), Royal Demolition Explosive (RDX) en drijfgassen zoals Dinitrotolueen (DNT).

 

Vaak worden deze zeer moeilijk afbreekbare stoffen honderden meters rondom de doelwitlocaties verspreid en zijn ze zelfs na tientallen jaren nog in de bodem aanwezig. Ook kunnen de springstoffen doordringen naar het grondwater. Omdat deze verbindingen toxisch zijn voor plant, dier en mens, en mogelijk zelfs kankerverwekkende eigenschappen bezitten, is een verwijdering van deze schadelijke stoffen uit de omgeving noodzakelijk.

 

Saneringsmethoden

Onderzoekers aan de UHasselt bestuderen hoe bacteriën en planten kunnen worden gebruikt om toxische stoffen uit het milieu te verwijderen, via ‘fytoremediatie’. Dit is een techniek waarbij bacteriën planten helpen om vreemde, al dan niet toxische, stoffen uit het milieu op te nemen en vervolgens af te breken tot onschadelijke producten. Het gebeurt ook dat de planten de stoffen in hun eigen weefsel opslaan.

 

Sofie Thijs onderzocht of deze techniek ook toepasbaar was op bodem vervuild door explosieven. Zijn er in de bodem van een militair schietveld bacteriën aanwezig die kunnen ingezet worden om de aanwezige toxische stoffen af te breken?

 

Bacteriën breken explosieven af

Onderzoek naar bacteriën die explosieven afbreken staat momenteel nog in de kinderschoenen, maar opent vele perspectieven. Bacteriën zijn van nature in de bodem aanwezig, zijn gemakkelijk te manipuleren en hebben bovendien een enorme capaciteit om zich aan te passen aan diverse leefomstandigheden. Door hun grote diversiteit zijn ze in staat verschillende stoffen, en dus ook stoffen die voor de mens schadelijk zijn, te gebruiken als voedsel en deze af te breken tot neutrale componenten. Dit maakt van hen goedkope en eenvoudige ‘handlangers’ voor bodemsanering.

 

Sofie Thijs verduidelijkt haar onderzoek: “Ik ontdekte dat enkele bacteriën in staat zijn het explosief 2,4-Dinitrotolueen (2,4-DNT) af te breken. 2,4-DNT is een veel gebruikt drijfgas voor projectielen en alom aanwezig op militaire terreinen. De bacteriën werden op een speciaal dieet van explosieven gezet en in twee weken tijd was bijna 50 procent van de originele hoeveelheid explosief ‘opgegeten’. De bacteriën hadden dus de explosieven omgevormd tot minder gevaarlijke stoffen.”

 

Gedreven vervolgt de jonge onderzoekster: “Deze bacteriën hebben namen als Pseudomonas tolaasii en Burkholderia fungorum. Ook afbraakproducten werden geïdentificeerd: het explosief zelf heeft een vijfhoekstructuur, zoals een vlak van een voetbal, met op positie 2 en 4 een nitrogroep (NO2-). De bacteriën konden één van deze reactieve groepen verwijderen door een zuurstofmolecule in de ring te schieten. Een andere bacterie, Ralstonia, heeft twee zweepstaartjes en kan als het ware naar de explosieven toe ‘zwemmen’, om deze af te breken. Dit fenomeen noemt men ‘chemotaxis’.”

 

Plantenstress

Een ander experiment toonde aan dat planten blootgesteld aan DNT, stresssymptomen vertonen. Sofie Thijs: “Net als mensen kunnen ook planten stress hebben. Hoe merk je dit dan? In stresscondities produceren planten een belangrijk gasvormig ‘stress’-hormoon: ethyleen. Dit eenvoudige molecule werkt als een remmer voor plantengroei en kan leiden tot een verkorte wortelgroei, waardoor de plant minder water en voedingsstoffen kan opnemen en eventueel sterft.”

 

“Andere stresssymptomen zijn gele vlekken in de bladeren en een verhoogd aantal schadelijke zuurstofradicalen in de plant. Die veroorzaken een kortsluiting in de energievoorziening van de plant en de fotosynthese. Anderzijds kunnen de toxische explosieven opstapelen in het plantenweefsel en op die manier vitale processen verstoren. Deze gevolgen zijn limiterend voor een efficiënte fytoremediatie.”

 

Plantenbacteriën: een ‘groene’ yakult

Om een oplossing te bieden voor bovenstaande beperkingen ging Sofie Thijs na of de explosieven afbrekende bacteriën voordelig kunnen zijn voor de planten in stresscondities. “Nadat deze ‘goedaardige’ bacteriën via het water werden toegediend aan de plant die blootgesteld was aan het explosief, nam de stress aanzienlijk af. Dit kon afgeleid worden uit de toegenomen wortelgroei en een vermindering van de productie van stressethyleen. De bacteriën helpen de plant dus bij de afbraak van het explosief en produceren daarnaast ook plantengroei bevorderende stoffen. Deze beestjes zijn dus een ware ‘groene’ Yakult voor planten: een beschermend bacteriesapje.”

 

Toekomst

Aangezien de bacteriën makkelijk te kweken zijn en bovendien de plantengroei bevorderen, kan deze combinatie, een bacteriegestimuleerde fytoremediatie, een veelbelovende manier zijn om vervuilde bodems te saneren. Volgens onderzoeker Sofie Thijs is dit een absolute noodzaak, aangezien bodems en grondwater vervuild met explosieven een bedreiging vormen voor de menselijke gezondheid en de functionering van verschillende ecosystemen.  Sofie Thijs: “Zwaar vervuilde bodems met explosieven blijken immers te toxisch voor de groei van planten en blijven als een dodemanszone achter. Bovendien zijn de traditionele saneringstechnieken vaak veel te duur en zeer destructief. Daarom is er wel degelijk een belangrijke rol weggelegd voor onze bacteriën in de natuurlijke zuivering van bodems vervuild door explosieven.”

 

 

 

(Kaderstukje)

 

Een duurzame en goedkope saneringstechniek

 

Fytoremediatie maakt onder andere gebruik van populieren als snel groeiende, makkelijk te kweken bomen of energiegewassen die na de zuivering economisch kunnen gevaloriseerd worden. Fytoremediatie werkt grotendeels op zonne-energie, heeft een minimale onderhoudskost en is duurzaam omdat de sanering op de vervuilde locatie zelf gebeurt en de structuur van de bodem behouden blijft. Dit maakt fytoremediatie een goedkope techniek in vergelijking met de huidige saneringsmethoden voor explosieven vervuilde terreinen. Deze bestaan uit het afgraven van de bodem, afdekken en/of verbranden. Dit laatste is bovendien milieuvervuilend. Als nieuwe techniek kent fytoremediatie nog een aantal onzekerheden en beperkingen zoals de toxiciteit van de vervuiling voor de plant zelf, het opslaan van gevaarlijke stoffen en de lange behandelingsduur. Daarom is verder onderzoek naar verbetering van de techniek noodzakelijk. Bacteriën kunnen hierin een belangrijke rol spelen.

 

Bibliografie

Barac, T., Taghavi, S., Borremans, B., Provoost, A., Oeyen, L., Colpaert, J.V., Vangronsveld, J., and van der Lelie, D. (2004) Nature Biotechnology, 22(5), 583-588.

Best, E.P.H., Sprecher S.L., Larson, S.L., Fredrickson, H.L., and Bader, D.F. (1997a). Presentation 14. In 12th Annual Conference on Hazardous Waste Research, Kansas City, MO: Abstracts Book, May 19-22.

Best, E.P.H., Zappi, M.E., Fredrickson, H.L., Sprecher, S.L., Larson, S.L., and Ochman, M. (1997b) In Bioremediation of Surface and Subsurface Contamination (R.K. Bajpai, and M.E. Zappi, eds), pp 179-194.

Doty, S.L. (2008) New Phytologist, 179(2), 318-333.

Lewis, T.A., Newcombe, D.A., and Crawford, R.L. (2004) Journal of Environmental Management, 70(4), 291-307.

Lodewyckx, C., Taghavi, S., Mergeay, M., Vangronsveld, J., Clijsters, H., and Van der Lelie, D. (2001) International Journal of Phytoremediation, 3(2), 173-187.

Mastretta, C., Barac, T., Vangronsveld, J., Newman, L., Taghavi, S., and Van der Lelie, D. (2006) Biotechnology and Genetic Engineering Reviews, 23, 175-207.

Newman, L.A., and Reynolds, C.M. (2005) Trends in Biotechnology, 23(1), 6-8.

Reifenrath, W.G., Kammen, H.O., Palmer, W.G., Major, M.M., and Leach, G.J. (2002) Toxicology and Applied Pharmacology, 182(2), 160-168.

Rosenblatt, D.H. (1980) In Encyclopedia of explosives and related items (S.M. Kaye, ed, Dover, NJ: U.S. Army Armament Research and Development Command, pp 332-345.

Rylott, E.L., and Bruce, N.C. (2009) Trends in Biotechnology, 27(2), 73-81.

Snellinx, Z., Nepovim, A., Taghavi, S., Vangronsveld, J., Vanek, T., and van der Lelie, D. (2002) Environmental Science and Pollution Research, 9(1), 48-61.

Suresh, B., and Ravishankar, G.A. (2004) Critical Reviews in Biotechnology, 24(2-3), 97-124.

Van Aken, B., Yoon, J.M., and Schnoor, J.L. (2004) Applied and Environmental Microbiology, 70(1), 508-517.

Van der Lelie, D., Taghavi, S., Monchy, S., Schwender, J., Miller, L., Ferrieri, R., Rogers, A., Wu, X., Zhu, W., Weyens, N., Vangronsveld, J., and Newman, L. (2009) Critical Reviews in Plant Sciences, 28, 346-358.

Vangronsveld, J., Herzig, R., Weyens, N., Boulet, J., Adriaensen, K., Ruttens, A., Thewys, T., Vassilev, A., Meers, E., Nehnevajova, E., van der Lelie, D., and Mench, M. (2009) Environmental Science and Pollution Research, 16(7), 765-794.

Weyens, N., van der Lelie, D., Taghavi, S., and Vangronsveld, J. (2009a) Current Opinion in Biotechnology, 20(2), 248-254.

Weyens, N., van der Lelie, D., Taghavi, S., Newman, L., and Vangronsveld, J. (2009b) Trends in Biotechnology, 27(10), 591-598.

Weyens, N., Van Der Lelie, D., Artois, T., Smeets, K., Taghavi, S., Newman, L., Carleer, R., and Vangronsveld, J. (2009c) Environmental Science & Technology, 43(24), 9413-9418.

Weyens N, Truyens S, Saenen E, Boulet J, Dupae J, van der Lelie D, Carleer R, Vangronsveld J. (submitted) International Journal of Phytoremediation

Universiteit of Hogeschool
Biomedische wetenschappen
Publicatiejaar
2010
Share this on: