Zaadendofyt-geassisteerde fytoremediatie van Cadmium: optimalisatie van de inoculatie
- SaschaTruyens
- NeleWeyens
Groen gebruiken voor een groenere toekomst!
Verontreinigde bodems zijn de dag van vandaag geen nieuwigheid, je komt ze overal ter wereld tegen. In de Belgische Noorderkempen is er bijvoorbeeld een grondperceel van 300 m2 verontreinigd met Cadmium, een zwaar metaal. Cadmium heeft geen gekende biologische functie maar het is voor zowel plant als dier toxisch. Bij mensen speelt Cadmium een rol bij de vorming van tumoren, bij planten doet het de bladeren vergelen en vermindert het de groei in het algemeen. Samengevat komt het er op neer dat mensen er ziek van worden en dat de opbrengst van gewassen afneemt. Beide factoren hebben negatieve gevolgen voor de samenleving.
Verontreinigde bodems kunnen op verschillende manieren gesaneerd worden. Ze worden afgegraven en gezuiverd, grondwater wordt weggepompt en gefilterd en soms wordt de bodem zelfs volledig verwijderd. Deze technieken zijn echter allemaal vrij invasief (ze verstoren ecosystemen) en ze zijn moeilijk toe te passen wanneer het over een groot gebied gaat zoals de met Cadmium verontreinigde regio in de Noorderkempen. Er was een behoefte aan een moderne techniek om bodems op een minder invasieve manier te saneren: deze werd gevonden in de fytoremediatie. Bij fytoremediatie word er gebruik gemaakt van planten (fyto) en hun geassocieerde micro-organismen, zoals bacteriën en schimmels, om een verontreiniging uit de bodem te halen (remediatie). Er zijn namelijk verschillende planten die verontreinigende partikels, zoals Cadmium, uit de bodem kunnen opnemen en ze vervolgens in hun wortels of bovengrondse plantdelen opslaan. Nadien kunnen de planten geoogst worden en kan men de verontreiniging eruit reïsoleren. De verontreinigende materie kan dan veilig opgeslagen of verder verwerkt worden.
Niet alle in de bodem aanwezige verontreinigingen kunnen zomaar opgenomen worden door planten. Het is mogelijk dat een bepaalde component vast zit aan bodemdeeltjes waardoor hij niet beschikbaar is voor de plant. Om dit probleem te verhelpen kunnen bacteriën of andere micro-organismen gebruikt worden in combinatie met de plant.
Wanneer er aan fytoremediatie gedaan wordt heeft men dus voornamelijk twee componenten nodig: een plant en bacteriën die men in de plant stopt zodat die hem kunnen helpen een verontreiniging op te nemen. Tot op heden worden bacteriën opgekweekt tot er een hele kolonie in een flesje zit waarna ze in de planten worden gestopt. Dit gebeurt dus op een vrij laat tijdstip in de levenscyclus van de bacterie. In dit onderzoek werd de bacterie op verschillende tijdstippen (verschillende groeifasen) aan de plant toegevoegd. Praktisch gezien komt het er op neer dat de bacterie in een flesje opgekweekt werd en er op vaste tijdstippen een bepaalde hoeveelheid in de plantjes werd overgebracht. Het doel was om na te gaan of, afhankelijk van het tijdstip waarop de bacterie in het plantje gestopt werd, de plant meer of minder Cadmium uit de bodem kon opnemen.
In dit onderzoek werd gebruik gemaakt van het plantje zandraket in combinatie met een Bacillus bacterie om Cadmium uit de bodem te halen. Zandraket is een modelorganisme, wat wilt zeggen dat het volledige genoom (alle genen) ervan gekend is en het dus vaak gebruikt wordt om experimenten uit te voeren. De Bacillus bacterie die de plantjes hielp om het Cadmium op te nemen is een zaadendofyt. Een zaadendofyt is een bacterie die van nature aanwezig is in het zaadje van een plant en van de ene op de andere generatie wordt doorgegeven.
Bij de aanvang van het experiment werden honderden zandraketzaadjes geplant. De gekiemde plantjes werden verdeeld in 5 groepen. Tegelijkertijd werd de Bacillus bacterie opgekweekt in een flesje en op vijf verschillende tijdstippen werd een deel hiervan aan een groep plantjes toegevoegd. Zo ontstonden dus vijf groepen plantjes die elk op een ander tijdstip ‘geïnfecteerd’ werden door de bacterie. Vervolgens werd er Cadmium aan de bodems toegevoegd en kregen de plantjes en bacteriën de kans om te groeien en het Cadmium op te nemen. Na enkele weken kon het echte onderzoek starten: het oogsten van de planten en het uitvoeren van verschillende testen. Er werd gekeken naar hoe de plantjes van de verschillende groepen er uit zagen: hoe groen zijn ze, hoe lang hun wortels, hoe veel blaadjes hebben ze, … Naast deze parameters werd er uiteraard ook gekeken naar hoeveel Cadmium de plantjes nu eigenlijk hadden opgenomen en hoeveel bacteriën aanwezig waren in de vijf verschillende groepen.
Uit de resultaten bleek dat wanneer de bacterie op een redelijk vroeg tijdstip toegevoegd wordt er niet enkel meer bacteriën in de plant aanwezig zijn maar ook dat de plant meer Cadmium kon opnemen. Ook bleek het zandraket beter tegen de toxiciteit van het Cadmium opgewassen wanneer de bacterie op een vroeg tijdstip toegevoegd werd. Deze resultaten botsen dus met de huidige werkwijze waar de bacteriën op een vrij laat tijdstip aan de planten worden toegevoegd.
De algemene conclusie van dit onderzoek luidt dus dat er een eerste bewijs gevonden is voor het concept dat het wel degelijk uitmaakt op welk tijdstip de bacterie aan de plant wordt toegevoegd. Deze bevinding zou veel wetenschappers die onderzoek doen naar fytoremediatie een stapje vooruit kunnen helpen en zo de wereld een stapje dichter brengen bij een groenere toekomst!
Bibliografie
De literatuurlijst is ook aanwezig op het einde van de Scriptie.
Adler, J. (1972) ‘A Method for Measuring Chemotaxis and Use of the Method to Determine Optimum Conditions for Chemotaxis by Escherichia coli’ Microbiology 74, (1) 77-91.
Bergmeyer, H.U., Gawenn, K., Grassl, M. (1974) ‘Enzymes as biochemical reagents’ In Methods in Enzymatic Analysis. Ed. door Bergmeyer, H.U. New York : Academic Press : 425-522.
Das, P., Samantaray, S., Rout, G.R. (1997) ‘Studies on Cadmium toxicity in plants : a revieuw’. Environ Pollut 98, (1) 29-36.
Davis, R.D. (1984) ‘Cadmium, a complex environmental problem’. Cellular and molecular life sciences 40, (2) 117-126.
Garbisu, C., Alkorta, I. (2001). ‘Phytoextraction: a cost-effective plant-based technology for the removal of metals from the environment’. Bioresource Technology 77, 229-236.
Glick, B. (2003) ‘Phytoremediation: synergistic use of plants and bacteria to clean up the Environment’. Biotechnol Adv 21, (5) 383-93.
Habig, W.H., Jakoby, W.B. (1981). ‘Assays for differentiation of glutathion-S-transferases’. Methods in Enzymology 77, 398-405.
Hendricks, C., Doyle, J., Hugley, B. (1995) A ‘New Solid Medium for Enumerating Cellulose-Utilizing Bacteria in Soil’ Applied and Environmental Microbiology 61, (5) 2016-2019.
Hodges, D.M., DeLong, J.M., Forney, C.F., Prange, R.K. (1999) ‘Improving the thiobarbituric acid‐reactive‐substances assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds’. Planta 207, (4) 604–611.
Hogervorst, J., Plusquin, M., Vangronsveld, J. Nawrot, T., Cuypers, A., Van Hecke, E., Roels, H. Carleer, R., Staessen, J. (2007) ‘House dust as possible route of environmental exposure to cadmium and lead in the adult general population’. Environ Res 103, (1) 30-7.
Kamensky, M., Ovadis, M., Chet, I., Chernin, L. (2003) ‘Soil-borne strain IC14 of Serratia plymuthica with multiple mechanisms of antifungal activity provides biocontrol of Botrytis cinerea and Sclerotinia sclerotiorum diseases’ Soil Biology & Biochemistry 35, 323-331.
Keunen, E., Truyens, S., Bruckers, L., Remans, T., Vangronsveld, J., Cuypers, A. (2011) ‘Survival of Cd-exposes Arabidopsis thaliana : Are these plants reproductively challanged‘? Plant physiology and biochemistry 49, 1084-1091
Liu, X., Parales, R. (2008) ‘Chemotaxis of Escherichia coli to pyrimidines: a new role for the signal transducer tap.’ Journal of Bacteriology 190, (3) 972-979.
Mazumder, R., Phelps, T., Krieg, N., Benoit, R. (1999) ‘Determining chemotactic responses by two subsurface microaerophiles using a simplified capillary assay method’ Journal of Microbiological Methods 37, (3) 255-263.
McCord, J., Fridovich, I. (1969) ‘Superoxide dismutase: an enzymatic function for erythrocuprein (hemocuprein)’. Journal of Biological Chemistry 244, 6049–6055.
Mergeay M., Nies D., Schlegel H.G., Gerits J., Charles P., Van Gijsegem F. (1985) ‘Alcaligenes eutrophus CH34 is a facultative chemolithotroph with plasmid-bound resistance to heavy metals’. Journal of
Bacteriology 162, 328–334.
Prasad, M.N.V. (1995) ‘Cadmium toxicity and tolerance in vascular plants’. Environ Exp Bot 35, (4) 525-545.
Prade, R., Zhan, D., Ayoubi, P., Mort, A. (1999) ‘Pectins, Pectinases and Plant-Microbe Interactions’. Biotechnology and genetic engineering revieuws 16, 361-391.
Schlegel, H.G., Daltwasser, H., Gottschal, G. (1961) ‘Ein sumbersverfahren zur kultur wasserstoffoxidierender bacterien: Wachstum physiologische untersuchungen’ Arch Microbiol. (38), 87-98.
Schwyn B., Neilands, J.B. (1987) ‘Universal chemical assay for the detection and determination of siderophores’. Analytical Biochemistry 160, 47–56.
Sinha, S., Mukherjee, S.K. (2008) ‘Cadmium-induced siderophore production by a high Cd-resistant bacterial strain relieved Cd toxicity in plants through root colonization’. Current Microbiology 56, (1) 55-60.
Smeets, K., Ruytinx, J., Van Belleghem, F., Semane, B., Lin, D., Vangronsveld, J., Cuypers, A. (2008) ‘Critical evaluation and statistical validation of a hydroponic culture system for Arabidopsis thaliana’. Plant Physiology and Biochemistry 46, 212-218.
Soares, F., Dias, A., Fasanella, C., Taketani, R., Lima, A., Melo, I., Andreote, F. (2014)‘Endo- and exoglucanase activities in bacteria from mangrove sediment’ Brailianz Journal of Microbiology 44, (3) 969-976.
Truyens, S., Weyens, N., Cuypers, A., Vangronsveld, J. (2013) ‘Changes in the population of seed bacteria of transgenerationally Cd-exposed Arabidopsis thaliana.’ Plant Biology 15, (6) 971-981
Vassilev, A., Schwitzguebel, J., Thewys, T., Van Der Lelie, D., Vangronsveld, J. (2004) ‘The use of plants for remediation of metal-contaminated soils’. Scientific World Journal 16, (4) 9-34.
Weyens, N., Croes, S., Dupae, J., Newman, L., van der Lelie, D., Carleer, R., and Vangronsveld, J. (2010) ‘Endophytic bacteria improve phytoremediation of Ni and TCE co-contamination’. Environ Pollut 158, 2422–2427.
Weyens, N., van der Lelie, D., Taghavi, S., Vangronsveld, J. (2009)’ Phytoremediation: plant-endophyte partnerships take the challenge. Current Opinion in Biotechnology’ 20, 248-254
World Health Organisation (2012) ‘arsenic, metals, fibres, and dusts, A review of human carcinogens’ International Agency for Research on Cancer [online] 100, 121-141. Beschikbaar op <http://monographs.iarc.fr/ENG/Monographs/vol100C/mono100C.pdf> [23 februari 2014]
Worthington Biochemical Corporation (2014) Pectinase assay [online] beschikbaar op <http://www.worthington-biochem.com/PASE/assay.html> [23 februari 2014]
Zang H., Forde, B. (1998) ‘An Arabidopsis MADS Box Gene That Controls Nutrient-Induced Changes in Root Architecture’ Science [online] 279, (5349) 407-409. Beschikbaar op <http://www.sciencemag.org/conte nt/279/5349/407.short> [22 februari 2014]
