Logo UHasselt

menu

CMK - Centrum voor milieukunde UHasselt


Onderzoek

CMK  - Centrum voor milieukunde UHasselt

Logo UHasselt Universiteit Hasselt - Knowledge in action

MILIEUBIOLOGIE

Cellulaire toxiciteit van abiotische stress-factoren

Wanneer planten blootgesteld worden aan verhoogde gehalten van abiotische stress-factoren, zoals metalen, dan worden allerlei cellulaire processen beïnvloed en/of verstoord. Uit ons onderzoek is gebleken dat reactieve zuurstofvormen hierbij een belangrijke rol spelen zowel naar signalering in de plant alsook naar het veroorzaken van schade en dit vormt dan ook een centraal thema in verdere studies.
In de modelplant “Arabidopsis thaliana” (de zandraket) worden de cellulaire responsen, van gen tot eiwit, op metaalvervuiling bestudeerd. Op deze manier verwerven we meer inzicht in de opeenvolging van de cellulaire mechanismen die optreden na metaalblootstelling: van het ‘voelen’ van de aanwezige metalen en doorgeven van die informatie aan de cellen tot de uiteindelijke reactie.
Deze informatie wordt gebruikt in de ontwikkeling van biomerkers en voor de selectie van planten geschikt voor bodemsanering.

Verhoogde metaalgehalten in het milieu remmen
de wortelgroei van Arabidopsis thaliana in vergelijking
met een nutriëntenrijke omgeving.


 

Verhoogde cadmiumconcentraties
beperken de biomassaproductie van
Arabidopsis thaliana en resulteren in
zichtbare toxische symptomen.


Metaaltolerantie bij mycorrhizaschimmels

Organismen die in hun leefomgeving geconfronteerd worden met toxische concentraties aan zware metalen ondervinden een verhoogde stress. Ze kunnen zich slechts handhaven in een dergelijke vijandige omgeving door hun stofwisseling grondig bij te sturen.

Wanneer de stress extreme vormen aanneemt zal de populatie inkrimpen en onstaat een scherpe selectiedruk voor genetische adaptaties, waardoor uiteindelijk door natuurlijke selectie aangepaste ‘tolerante’ populaties kunnen ontstaan. Evolutionaire adaptatie aan metaalverontreinigde ecosystemen is een mooi voorbeeld van micro-evolutie.

We bestuderen een mooi voorbeeld van Zn, Cd en Cu tolerantie bij een groep van ectomycorrhiza fungi (Suilloids) die gedijen in symbiose met bomen in metaal gecontamineerde bodems van N-Limburg. Mycorrhizaschimmels zijn de belangrijkste groep bodemorganismen die bomen assisteren bij het opnemen van voldoende mineralen. In ruil voor de geleverde prestatie krijgen de schimmels suikers van hun gastheer.

Een team ‘mycorrhiza’ onderzoekers legt zich toe op het ontrafelen van de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de metaaltoleranties in Suilloids. Moleculair onderzoek, van gen tot eiwit, wordt ondersteund door fysiologische en biochemische experimenten. De ecologische implicaties van de metaaltolerantie bij de fungi voor gastheerplanten en voor ecosystemen op verontreinigde bodems komen aan bod.

Sporocarpen van de bruine ringboleet, een ectomycorrhizaschimmel
die metaaltolerantie ontwikkelt.


Fytoremediatie

De interesse voor het gebruik van planten voor de sanering van bodems en ondiep grondwater verontreinigd met zowel zware metalen als organische contaminanten is enorm gegroeid. Gebaseerd op vele jaren fundamenteel onderzoek en kennis van de natuurlijke capaciteiten van planten om metalen en andere toxische contaminanten op te nemen uit vervuilde grond of water werd fytoremediatie naar voor geschoven als een alternatieve saneringstechnologie.

Fytoremediatie kan gedefinieerd worden als het gebruik van planten voor het verwijderen, afbreken of vastleggen van schadelijke stoffen uit bodems of water. In meerdere gevallen van fytoremediatie is de plant in feite niet de ‘exclusieve hoofdrolspeler’. Zeer dikwijls is er een erg belangrijke rol weggelegd voor plantgeassocieerde bacteriën en mycorrhizen. De voornaamste functie van planten is dan ‘beperkt’ tot het verbeteren van de groeicondities voor micro-organismen.

Verschillende vormen van fytoremediatie worden onderscheiden naargelang de ‘functie’ die de planten vervullen in het remediatieproces.

Fytostabilisatie bestaat erin dat planten, eventueel in combinatie met gepaste bodemadditieven, gebruikt worden om de vervuiling vast te leggen. De voornaamste doelstelling is een verdere verspreiding van de vervuiling te voorkomen. Vooreerst hebben planten via exudaten of via wortelgeassocieerde micro-organismen dikwijls een immobiliserend effect op de in de bodem aanwezige contaminanten. Ook zal een goed gesloten vegetatiedek verdere verspreiding via wind- en watererosie verhinderen en zal de percolatie van contaminanten naar het grondwater drastisch verlagen.

Fytoextractie is het gebruik van planten om contaminanten uit de bodem te verwijderen door opname via de wortels van de planten; in vele gevallen kunnen de contaminanten verder getransporteerd en opgeconcentreerd worden naar de bovengrondse delen van de planten. Toepassing van fytoextractie in geval van verontreiniging met metalen kan gebeuren door middel van in de natuur voorkomende hyperaccumulerende planten, of artificieel verbeterde (gemanipuleerde) of geselecteerde valoriseerbare soorten. Het met contaminanten aangerijkt plantenmateriaal kan vervolgens gevaloriseerd worden (voor bijvoorbeeld energieproductie) en uit de restfractie kunnen de metalen gerecupereerd worden.

Fytotransformatie bestaat erin dat planten contaminanten opnemen en dat deze in de plant omgezet of afgebroken worden tot niet schadelijke verbindingen. Van fytotransformatie is voornamelijk sprake in geval van organische verontreinigingen. Moleculen worden via de wortels opgenomen en door plantencellen of endofytische micro-organismen ‘getransformeerd’, eventueel zelfs geschikt gemaakt als bouwstenen voor planteigen moleculen.

Versterkte biodegradatie in de rhizosfeer: planten scheiden allerlei organische moleculen uit die door micro-organismen als substraat gebruikt worden. Daardoor komen in de ‘rhizosfeer’ (de zone dicht aansluitend bij de wortels) 100 tot 1000 maal meer bacteriën voor dan in onbegroeide bodem. Indien deze micro-organismen de in de bodem aanwezige contaminanten kunnen afbreken kan dit leiden tot een versnelling van de afbraak vergeleken met een niet begroeide bodem . Ook leveren planten humus op die het microbieel leven in de bovenste bodemlaag zal bevorderen.
 

Bomen kunnen grote volumes aan grondwater ‘oppompen’.
In het grondwater aanwezige contaminanten kunnen vervolgens door rhizosfeerbacteriën
afgebroken of door planten opgenomen en ‘verwerkt’ worden. Wilgen en vooral populieren
zijn voor deze toepassing goede soorten.

 

Rol van plant geassoscieerde bacteriën in groei en ontwikkeling van planten en in fytoremediatie

De conventionele technieken die vandaag de dag gebruikt worden om gecontamineerde bodems en grondwater te remediëren gaan gepaard met drastische veranderingen in bodemstructuur en biologische activiteit. Complementair aan deze traditionele methoden, in het bijzonder voor sites met een diffuse verontreiniging met relatief lage concentraties, wordt bioremediatie voorgesteld als een potentieel interessante technologie om effectief en goedkoop vervuilde locaties en gebieden te behandelen. Toch blijken er voor de toepassing van bioremediatie op grote schaal nog enkele tekorkomingen te bestaan zoals te hoge concentraties aan polluenten (die toxisch kunnen zijn voor de organismen betrokken bij de remediatie), een te lage biobeschikbaarheid van de contaminanten en, in sommige gevallen, de evapotranspiratie van vluchtige organische polluenten van de bodem of het grondwater naar de atmosfeer. Om deze problemen tegemoet te komen, kunnen de plant-bacterie interacties verder geexploiteerd worden.

In geval van fytoremediatie van metaal-gecontamineerde bodems en grondwater, kunnen plant-geassocieerde bacteriën die beschikken over een metaal-sequestratie systeem, de metaal fytotoxiciteit reduceren en de translocatie naar de bovengrondse plantendelen bevorderen. Verder kunnen rhizosfeer bacteriën die sideroforen en/of organische zuren produceren de plant beschikbaarheid van de metalen verhogen. In functie van een verbetering van de fytoremediatie van organische contaminanten kunnen plant-geassocieerde micro-organismen uitgerust worden met de nodige afbraakroutes om zo een efficiënte afbraak van de organische contaminanten te bekomen. Dit zal resulteren in een verlaagde fytotoxiciteit en een reductie in de evapotranspiratie van de vluchtige contaminanten en/of afbraak intermediairen naar de atmosfeer. 
 
 

Bacteriën die het wortelxyleem van populier koloniseren 


Gezondheidseffecten van luchtverontreiniging

Luchtvervuiling bestaat uit een mengsel van gassen, zoals ozon, en fijne stofdeeltjes. Ondanks de duidelijk afgenomen luchtvervuiling in de laatste 30-40 jaar, wordt sinds het begin van de jaren negentig systematisch aangetoond dat er een associatie bestaat tussen de concentraties van inhaleerbare stofdeeltjes in de lucht en negatieve effecten op de gezondheid. Fijn stof bestaat uit deeltjes met verschillende grootte, verschillende herkomst en dus met verschillende samenstelling. Fijn stof bestaat o.a. uit koolstofhoudende deeltjes, die ontstaan door verbranding, maar ook natuurlijke deeltjes, waaronder zeezout, of toxische metalen kunnen deel uitmaken van het fijn stof mengsel.

Deeltjes worden onder de gemeenschappelijke noemer “particulate matter” (PM) ondergebracht. Particulate matter wordt ingedeeld in fracties volgens de grootte van de deeltjes. Deeltjes met een diameter kleiner dan 10 micrometer (10 µm of PM10) kunnen door de mens worden ingeademd. Daarom wordt deze fractie van fijn stof meestal bemonsterd. Tegenwoordig houdt men ook rekening met PM2.5 of deeltjes met een diameter kleiner dan 2.5 micrometer, welke dieper in de ademhalingsboom geraken. In Europa is de gemiddelde jaarlijkse concentratie aan PM2.5 het hoogst in België, Nederland, Noord-Frankrijk, het Duitse Ruhrgebied en de streek rond Milaan (zie figuur1).
 

Figuur 1: Jaargemiddelde van fijn stof concentratie
(PM2.5, µg/m3) voor het jaar 2002 in Europa


Bij mensen met luchtwegaandoeningen en hart- en vaatziekten bevordert en verergert fijn stof de klachten en fijn stof belemmert de ontwikkeling van de longen bij kinderen. In verschillende studies werd aangetoond dat mensen met diabetes gevoeliger zijn voor de effecten van fijn stof. Het onderzoek binnen het CMK richt zich naar de moleculaire veranderingen ten gevolge van blootstelling aan luchtverontreiniging. We gaan hierbij de interindividuele-gevoeligheid tussen personen na. Verder werken we sterk samen met de eenheid van longtoxicologie aan de KULeuven waarbij we studies uitvoeren bij specifieke patiëntgroepen waaronder diabetici.