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

Nicole Janssen
Het reinigen van de bodem met behulp van plantenVeel 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.

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.

Bibliografie

Alkorta, I. & C. Garbisu (2001). Phytoremediation of organic contaminants in soils. Bioresour Technol, 79: 273–6

 

Allerberger, F. & A. Sessitsch (2009). Incidence and microbiology of salad-borne disease. CAB reviews: perspectives in agriculture, Veterinary Science, Nutrition and Natural Resources 4 (19), 1e13

 

Barac, T., S. Taghavi, B. Borremans, A. Provoost, L. Oeyen, J. Colpaert, J. Vangronsveld & D. van der Lelie (2004). Engineered endophytic bacteria improve phytoremediation of water-soluble, volatile, organic pollutants. Nature biotechnology, 22(5): 583-588

 

Berg, G., L. Eberl & A. Hartmann (2005a). The rhizosphere as a reservoir for opportunistic human pathogenic bacteria. Environmental Microbiology, 7: 1673-1685.

 

Bernard, A. (2008). Cadmium & its adverse effects on human health. Indian Journal of Medical Research, 128: 557-564

  

 

Brookes, P.C. & S.P. McGrath (1984). Effect of metal toxicity on the size of the soil microbial biomass. Soil Science, 35: 341–6.

 

Burd, G.I., D.G. Dixon & B.R. Glick (2000). Plant growth-promoting bacteria that decrease heavy metal toxicity in plants. Canadian Journal of Microbiology,  46: 237–45.

 

Chen, L., S. Luo, X. Xiao, G. Guo, J. Chen, Y. Wan, B.f Li, T. Xu, Q. Xi, C. Rao, C. Liu & G. Zeng (2010). Application of plant growth-promoting endopytes (PGPE) isolated from Solanum nigrum L. for phytoextracion of Cd-polluted soils. Applied  Soil Ecology, 46: 383-389.

 

Compant, S., B. Duffy, J. Nowak, C. Clément & E.A. Barka (2005a). Use of plant growth-promoting bacteria for biocontrol of plant diseases: principles, mechanisms of action, and future prospects. Applied and Environmental Microbiology, 71: 4951-4959

 

Compant, S., C. Clément & A. Sessitisch (2010). Plant growth-promoting bacteria in the rhizo- and endosphere of plants: Their role, colonization, mechanisms involved and prospects for utilization. Soil biology & Biochemistry, 42: 669-678

 

Croes, S., N. Weyens, J. Janssen, H. Vercampt, J.V. Colpaert, R. Carleer & J. Vangronsveld (2013). Bacterial communities associated with Brassica napus L. grown on trace element-contaminated and non-contaminated fields: a genotypic and phenotypic comparison. Microbial Biotechnology, DOI: 10.1111/1751-7915.12057

 

Cunningham, S.D., W.E. Berti & J.W. Huang (1995). Phytoremediation of contaminated soils. Trends in Biotechnology, 13: 393-397

 

Cuypers, A., K. Smeets, J. Ruytinx, K. Opdenakker, E. Keunen, T. Remans, N. Horemans, N. Vanhoudt, S. van Sanden, F. van Belleghem, Y. Guisez, J. Colpaert & J. Vangronsveld (2011). The cellular redox state as a modulator in cadmium and copper responses in Arabidopsis thaliana seedlings. Journal of Plant Physiology, 168: 309-316

 

Dakora, F.D., & D.A. Phillips (2002). Root exudates as mediators of mineral acquisition in low-nutrient environments. Plant Soil, 13: 35–47

 

Garbisu, C. & I. Alkorta (2001). Phytoextraction: a cost-effective plant-based technology for the removal of metals from the environment. Bioresource Technology, 77: 229-236.

 

Glick, B.R. (2010). Using soil bacteria to facilitate phytoremediation, Biotechnology Advances, 28: 367-374

 

Grispen, V.M.J., H.J.M . Nelissen & J.A.C. Verkleij (2006). Phytoextraction wit Brassica napus L.; A tool for sustainable managment of heavy metal contaminated soils. Environmental pollution, 144:77-83

 

Gogorcena, Y., A. Larbi, S. Andaluz, R.O. Carpena, A. Abadia & J. Abadia (2011). Effects of cadmium on cork oak (Quercus suber L.) plants grown in hydroponics. Tree physiology, 31:1401-1412   

 

Hartmann, A., M. Schmid, D. van Tuinen & G. Berg (2009). Plant-driven selection of microbes. Plant soil, 321: 235-257

 

Huang, Q.Y., W.L. Chen & X.J. Guo (2002).  Sequential fractionation of  Cu, Zn and Cd in soils in the absence and presence of rhizobia. In: Symposium 47" Soil Mineral-Organic Component-Microorganism Interactions and the Impact on the Ecosystem and Human Welfare" and Symposium 06" Frontiers of Soil Chemistry and Biochemistry of the Soil Rhizosphere", 17th World Congress of Soil Science. Science Publishers, Bangkok

 

Jeong, S., H.S. Moon, K. Nam, J.Y.  Kim & T.S. Kim (2012). Application of phosphate-solubilizing bacteria for enhancing bioavailability and phytoextraction of cadmium (cd) from polluted spoil, Chemosphere, 88: 204-210

 

Jiang, C.Y., X.F. Sheng, M. Qian & Q.Y. Wang (2008). Isolation and characterization of a heavy metal-resistant Burkholderia sp. from heavy metal-contaminated paddy field soil and its potential in promoting plant growth and heavy metal accumulation in metal-polluted soil. Chemosphere, 72: 157–164.

 

Khan, A.G., C. Kuek, T.M. Chaudhr, C.S. Kho & W.J. Haye (2000).  Role of plants, mycorrhizae and phytochelators in heavy metal contaminated land remediation. Chemosphere, 41: 197–207.

 

Kloepper, J. W., J. Leong, M.  Teintze & M.N. Schroth (1980). Enhanced plant growth by siderophores produced by plant growth-promoting rhizobacteria. Nature, 286: 85-886

 

Kumar, P.B.A.N.,  V. Dushenkov, H. Motto & L. Raskin (1995). Phytoextraction: the use of plants to remove heavy metals from soils. Environmental Science & Technology, 29: 1232–1238

 

Li, W. C. & M.H. Wong (2010). Effects of bacteria on metal bioavailability, speciation, and mobility in different metal mine soils: a column study. Journal of Soils and Sediments, 10: 313-325.

 

lick, B.R. (1995). The enhancement of plant growth by free-living bacteria. Canadian Journal of Microbiology, 41: 109–17.

 

Lodewyckx, C., S. Taghavi, M. Mergeay, J. Vangronsveld, H. Clijsters & D. van der Lelie (2001). The effect of recombinant heavy metal resistant endophytic bacteria in heavy metal uptake by their host plant. International Journal of Phytoremediation, 3: 173–187.

 

Louekare, K., S. Valkonen, S. Pousi & L. Virtanen (1991). Estimated dietary intake of lead and cadmium and their concentration in blood. Science of The Total Environment, 105: 87-99

 

Luo, S.L., Y. Wan, X. Xiao,  Guo, L. Chen, Q. Xi, G. Zeng, C. Lui & J Chen (2011). Isolataion and characterization of endophytic bacterium LRE07 from cadmium hyperaccumulator Solanum nigrum L. and its potential for  remediation. Applied Microbiology and Biotechnologie, 89: 1637–1644.

 

Lugtenberg, B.  & F. Kamilova (2009). Plant-growth-promoting rhizobacteria. Annual Review of Microbiology, 63: 541-556.

 

Ma, Y., M. Rajkumar & H. Freitas (2009). Inoculation of plant growth promoting bacterium Achromobacter xylosoxidans strain Ax10 for the improvement of copper phytoextraction by Brassica juncea. Journal of Environmental Management, 90: 831–837

 

McBride, M.B. (1989). Reaction controlling heavy metal solubility in soils. Advances in Soil Sciences, 10:1-56

 

Madigan, M.T. & J.M. Martinko (2006). Brock’s Biology of Microorganisms. Pearson Education, USA

 

Marschner, H.F. (1991). Root-induced changes in the availability of micronutrients in the rhizosphere. In: Waise, l.Y., A. Eshelf & U. Kakafi (eds) Plant Roots: The Hidden Half, Marcel Dekker, New York: 503

 

Marschner, P., W. Marino & R. Lieberei (2002). Seasonal effects on microorganisms in the rhizosphere of two tropical plants in a polyculture agroforestry system in Central Amazonia, Brazil. Biology and Fertility of soils, 35: 68-71

 

Oger, P.M., H. Mansouri, X. Nesme & Y. Dessaux (2004). Engineering root exudation of Lotus toward the production of two novel carbon compounds leads to the selection of distinct microbial populations in the rhizosphere. Microbial Ecology, 47: 96–103

 

Opdenakker, K., T. Remans, E. Keunen, J. Vangronsveld & A. Cuypers (2012). Exposure of Arabidopsis thaliana to Cd or Cu excess leads to oxidative stress mediated alterations in MAPKinase transcript levels. Environmental and Experimental Botany, 83: 53-61

  

 

Pilon-Smits, E. (2005).  Phytoremediation.  Annual Review of Plant Biology, 56: 15–39

 

Rajkumar, M., N. Ae, M. Narasimha, V. Prasad & H. Freitas (2010). Potential of siderophore-producing bacteria for improving heavy metal phytoextraction. Trends in Biotechnology, 28: 142-149

 

Raklimar, M., N. Ae & H. Fritas (2009). Endophytic bacteria and their potential to enhance heavy metal phytoectraction, Chemosphere, 77: 153-160

 

Ramessar, K., T Capell, R.m. Twyman & P. Christou (2010). Going to ridiculous lengths—European coexistence regulations for GM crops. Nature Biotechnology, 28: 133-136

 

Ranjard, L., L. Lignier & R. Chaussod (2006). Cumulative Effects of Short-Term Polymetal Contamination on Soil Bacterial Community Structure. Applied and Environmental Microbiology, 72: 1684-1687.

 

Raskin, I., R.D. Smith & D.E. Salt (1997). Phytoremediation of metals: using plants to remove pollutants from the environment. Current Opinion in Biotechnology, 8: 221–226

 

Raskin, I. & B.D. Ensley (2000). Phytoremediation of toxic metals: using plants to clean up the environment. In: Ensley, B.D. (ed), Rational for use of phytoremediation, Wiley-Interscience, New York: 3-12

 

Rodriguez, H., & R. Fraga (1999). Phosphate solubilizing bacteria and their role in plant growth promotion. Biotechnology, 17: 319–339.

 

Salt, D.E., M. Blaylock, N.P.B.A. Kumar,  V. Dushenkov, B.D. Ensley, I. Chet & I. Raskin (1995). Phytoremediation: a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants. Biotechnology, 13: 468–74.

 

Sanita di Toppi, L., & R. Gabbrielli (1999). Response to cadmium in higher plants. Environmental and Experimental Botany, 41: 105–130

 

Satarug, S., & M.R. Moore (2004). Adverse Health Effects of Chronic Exposure to Low-Level Cadmium in Foodstuffs and Cigarette Smoke. Environmental Health Perspectives,112(10): 1099-1103

 

Savka, M.A., Y. Dessaux, P. Oger & S. Rossbach (2002). Engineering bacterial competitiveness and persistence in the phytosphere. Molecular Plant-Microbe Interactions, 15 :866–874

 

Schloter, M., M. Lebuhn, T. Heulin & A. Hartmann (2000). Ecology and evolution of bacterial microdiversity. FEMS Microbiology, 24: 647–660

 

Seth, C. S., T. Remans, E. Keunen, M. Jozefczak, H. Gielen, K. Opdenakker, N. Weyens, J. Vangronsveld & A. Cuypers (2011). Phytoextraction of toxic metals: a central role for glutathione, Plant, cell & environment, 35: 334-346

 

Sheng, X., L. He, Q. Wang, H. Ye & C. Jiang ( 2008a). Effects of inoculation of biosurfactant-producing Bacillus sp. J119 on plant growth and cadmium uptake in a cadmium-amended soil. Journal of Hazardous Materials, 155: 17–22

 

Simons, M., A.J. Van Der Bij, I. Brand, L.A. De Weger, C. A.,Wijffelman & B.J. Lugtenberg (1996). Gnotobiotic system for studying rhizosphere colonization by plant growth-promoting Pseudomonas bacteria. MPMI-Molecular Plant Microbe Interactions, 9: 600-607

 

Somers, E., J. Vanderleyden & M. Srinivasan (2004). Rhizosphere bacterial signalling: A love parade beneath our feet. Critical Reviews in Microbiology, 304: 205–240

 

Stomp, A.M.,  K.H. Han, S. Wilbert, M.P. Gordon & S.D. Cunningham (1994). Genetic strategies for enhancing phytoremediation. Annals of the New York Academy of Sciences, 721: 481–491

 

van Elsas, J.D., S. Turner & M.J. Bailey (2003). Horizontal gene transfer in the phytosphere. New Phytologist, 157: 525–537

 

van Loon, L.C., & P.A.H.M Bakker (2005). Induced systemic resistance as a mechanism

of disease suppression by rhizobacteria. In: Siddiqui, Z.A. (Ed.), PGPR: Biocontrol and Biofertilization. Springer, Dordrecht:39-66.

 

Vassilev, A., J. Vangronsveld & I. Yordanov (2002). Cadmium phytoextraction: present state, biological backgrounds and research needs. Bulgarian Journal of Plant Physiology, 28(3–4): 68–95

 

Verma, S.C., J.K. Ladha & A.K.  Tripathi (2001). Evaluation of plant growth promoting and colonization ability of endophytic diazotrophs from deep water rice. Biotechnol, 91: 127–141.

 

Welbaum, G., A.V. Sturz, Z. Dong & J. Nowak (2004). Fertilizing soil microorganisms to improve productivity of agroecosystems. Critical Reviews in Plant Sciences, 23: 175-193.

 

Weyens, N., D. van der Lelie, S. Taghavi & J. Vangronsveld (2009b). Phytoremediation: plant-endophyte partnerships take the challenge. Biotechnology,20:248-254

 

Wild, E., J. Dent, G.O. Thomas & K.C. Jones (2005). Direct observation of organic contaminant uptake, storage, and metabolism within plant roots. Environmental Science & Technology, 39: 3695–702.

 

Zaidi, A. & M.S. Khan, (2007). Stimulatory effect of dual inoculation with phosphate solubilizing microorganisms and arbuscular mycorrhizal fungus on chickpea. Australian Journal of Experimental Agriculture, 47: 1014-102

 

Zeng, F., S. Ali, H. Zhang, Y. Ouyang, B. Qiu, F. Wu, & G. Zhang  (2011). The influence of pH and organic matter content in paddy soil on heavy metal availability and their uptake by rice plants. Environmental Pollution, 159(1): 84-91

Universiteit of Hogeschool
Biologie
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Share this on: