UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRONOMICE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ BUCUREŞTI

FACULTATEA DE BIOTEHNOLOGII

MASTERUL BIOTEHNOLOGII ÎN PROTECŢIA MEDIULUI

Modulul: Bioremedierea solurilor

Fitoremedierea solurilor contaminate cu cadmiu

Titular curs: Prof. Univ. dr.Bătrânescu Gheorghe

Masterand: Deciu Elena GeorgianaAnul I, semestrul I

Mai, 2010Cuprins

Introducere ……………………………………………………………………... 3Surse de deteriorare a solului …………………………………………………... 4Poluarea solului cu metale grele ........................................................................... 5Fitoremedierea solurilor ....................................................................................... 6Efectele contaminării solului cu cadmiu ............................................................ 10 Concluzii ............................................................................................................ 13Bibliografie ......................................................................................................... 14

2

Introducere

Solul este supus acţiunii poluărilor din aer şi apa , fiind locul de întâlnire al poluanţilor. În atmosferă se revarsă fum, pulberi, gaze nocive din coşurile uzinelor, din ţevile de eşapament ale automobilelor, din gurile de ventilaţie ale intreprinderilor industriale şi, mai puţin neglijabil din fumatul tutunului. În sursele de apă se scurg efluenţi încărcaţi cu resturi organice de tot felul şi microorganisme evacuate din activităţi casnice sau cu substanţe variate provenite din industrie . Pe sol se adună în cantităţi uriaşe gunoaie provenite din oraşe sau din deşeuri industriale, care ajung uneori să aibă consecinţe directe asupra aşezărilor omeneşti .

Poluarea este evidentă în cazul solului . Reziduurile care nu au fost evacuate în apă şi în aer acoperă uscatul , ambianţa imediată de viaţă a oamenilor, tocmai în locurile aglomerate unde fiecare metru pătrat este intens şi multiplu solicitat, degradează terenurile agricole tocmai acolo unde sunt mai fertile.

Mulţi cercetători consideră Cd ca fiind unul din cele mai toxice elemente în urme care se găsesc în mediu. Plantele, animalele şi oamenii sunt supuse toxicităţii acestui metal în moduri diferite dar similare. Ca şi celelalte metale grele Cd se leagă rapid de proteinele extra şi intracelulare, acest lucru ducând la ruperea membranei şi întreruperea funcţiilor celulei.

Izbucnirea bolii ”ouch-ouch” în Japonia, a reprezentat momentul istoric care a adus pentru prima dată în atenţia lumii riscul otravirii cu cadmiu a mediului. În 1945, fermierii japonezi care locuiau în apropierea minei de Zn-Cd-Pb de lângă Kamioka au început să sufere de dureri de spate şi ale picioarelor, fracturi, decalcificare şi deformarea scheletului osos în cazuri avansate. Boala a fost corlată cu concentraţia mare de Cd din produse datorită irigării cu apă contaminată.

Plumbul, zincul şi cadmiul din soluri devin o ameninţare atunci când sunt prezente într-o concentraţie suficient de mare pentru a afecta în mod negativ sănătatea umană şi mediul. În unele cazuri, solurile sunt atât de contaminate incat nu mai pot sa intretina funcţionarea unui ecosistem. Cadmiul din sol reprezintă un risc atat pentru receptorii umani, cat şi pentru cei ecologici, datorită toxicităţii sale relativ ridicate şi asimilării în plante.

Tehnicile de fitoremediere pot oferi singura cale eficientă de refacere a sutelor de mii de km2 de sol şi ape poluate în urma activităţilor umane, constituind o alternativă ieftină şi ecologică a metodelor fizice de remediere, distructive pentru mediu, folosite curent.

Unii autori propun utilizarea concomitentă a amendamentelor chimice (carbonat de calciu, fosfati, oxizi de fier şi de mangan) şi plantelor pentru transformarea contaminanţilor în forme inaccesibile şi stabile.

Poluanţii pot fi absorbiţi în plante prin câteva procese naturale biofizice şi biochimice, şi anume prin: absorbţie, transport, translocare, hiperacumulare şi transformare.

3

Surse de deteriorare a solului

Solul este un fragil ecosistem afectat şi de ceilalţi factori de mediu: apă şi aerul. Sursele cele mai importante de deteriorare a solului sunt reprezentate de poluarea chimică, eroziunea de suprafaţă şi alunecări de teren, depozitare incorectă a deşeurilor industriale şi menajere.

Eroziunea solului este o consecinţă a acţiunii apei, vântului, schimbărilor fizice,chimice şi biologice determinate de: păşunatul excesiv, defrişarea pădurilor, activităţi agricole. Acest lucru duce în final la deşertificarea şi pierderea terenurilor agricole.

Haldele cu reziduri menajere şi industriale răspândite pe sol în mod neorganizat,provin din localităţi şi intreprinderi. Haldele cu deşeuri radioactive (steril) provenite în urma exploatărilor miniere, conţin substanţe radioactive: Kaliu, Toriu, Uraniu, Cesiu, Stronţiu cu o perioada de fisiune de 25 – 50 ani. Reziduurile menajere şi industriale afectează solul şi apele subterane prin poluare biologică şi fizică.

Industria (fabrici chimice, termocentrale, fabrici de celuloză, turnătorii, etc.) produce o serie de emisii nocive: plumb, cadmiu, cupru, zinc, flor, dioxid de sulf, dioxid de azot, pulberi sedimentabile. Agricultura care foloseşte în exces pesticide.

Sondele, conductele de transport şi rafinăriile de petrol reprezintă o sursă de poluare importantă pentru sol, apa de suprafaţă şi subteran.

Dejecţiile provenite de la ferme şi nămolul staţiilor de epurare răspândite pe sol fără a fi tratate, prejudiciază exploatarea acestuia datorită poluării biologice. Acestea, în urma descompunerii substanţelor organice conduc la poluarea biologică şi degradarea accentuată a solului şi culturilor.Alte surse de poluare a solului sunt:

Irigaţiile Defrişarea pădurilor Depunerile atmosferice Supraexploatarea solului Expansiunea agriculturii

Dezvoltarea agriculturii intensive a fost legată de utilizarea îngrăşămintelor, în special a celor cu potasiu, azot, fosfor. Efectul poluant derivă din două elemente, pe de o parte din conţinutul mare de impuriăţti toxice şi, pe de altă parte din cantităţile excesive în care sunt folosite. Efectul poluant cel mai intens îl determină utilizarea în exces a azotaţilor.

Pesticidele sunt substanţe chimice utilizate pentru combaterea speciilor considerate dăunătoare economiei şi/sau sănătăţii omului. Odată cu distrugerea dăunătoarelor sunt distruse şi alte vieţuitoare, deoarece pesticidele nu au proprietăţi selective. Efectele alarmante ale utilizării pesticidelor – acumularea acestora în lungul lanţurilor trofice de la baza lanţului (producătorii primari) către speciile de vârf , având ca primă verigă plantele .

Din atmosferă pesticidele pot ajunge din nou pe sol sau în râuri, lacuri şi mări de unde sunt preluate de alge. Pesticidele decelate astăzi în unele alimente afectează funcţiile reproductive ale organismelor. Îngrăşămintele au fost folosite în agricultură pe scară largă şi fără discernământ, neţinându-se cont de necesarul specific al plantelor de cultură, de momentul de aplicare a lor şi de modalitatea cea mai adecvată. Ca urmare a folosirii lor , o parte rămân în sol şi sunt antrenate prin apele de şiroire, de infiltraţie sau prin sistemul de

4

drenaj al apelor de irigaţii, ajungând în râuri sau în apele freatice unde conduc la accelerarea fenomenului de eutrofizare.

Eutrofizarea reprezintă o formă de poluare a ecosistemelor, mai ales a apelor stătătoare, prin introducerea unor cantităţi excesive de nutrienţi, ca urmare a activităţii umane. Poate fi un fenomen natural ce se desfăşoara pe timp îndelungat, sau un fenomen indus de om ce determină schimburi importante la nivelul ecosistemelor, ducând la degradarea lor.

Agricultura, prin folosirea excesivă a pesticidelor sau a irigării cu ape uzate creează o mineralizare excesivă a solului, afectează apele subterane, consecinţa fiind diminuarea productivităţii.

Poluarea solului cu metale grele

Mercurul (Hg) – fiind lichid, e singurul metal ce se gaseşte în toate cele trei medii de viaţă. Sursele de mercur sunt naturale, mercurul fiind folosit în industria chimică, în fabricarea vopselelor, a hârtiei, a unor pesticide sau a unor produse farmaceutice. Sursa de poluare cu mercur o reprezintă combustibilii fosili care se ard anual şi prelucrarea minereului numit cinobru. În cazul mercurului ţinem cont de trei aspecte:

mediul natural (acvatic) conţine o anumită cantitate de mercur , iar organismele s-au adaptat în decursul evoluţiei;

mercurul provenit din activitatea umană se degajă în atmosferă , prin migrare şi transformare ajungând în mediul acvatic, acumulându-se în produşi toxici

în ecosisteme se pot produce fenomene de intoxicare cu mercur în urma utilizării fungicidelor organomercurice.Plumbul – este elementul metalic cu cea mai rapidă depunere şi cu cele mai mari

depăşiri ale concentraţiei maxim admisă în aproape toate componentele mediului. În soluri este prezent mai ales sub formă de fosfaţi de tipul Pb5(PO4)3OH, Pb3(PO4)2 şi Pb5(PO4)3Cl. Ultima formă este cea mai insolubilă dintre fosfaţii plumbului şi poate controla solubilitatea ionilor Pb2+ la o gamă largă de valori ale pH-ului, în special în solurile cu un conţinut ridicat de fosfor sau în solurile freatic umede, amendate.

Plumbul acumulat în sol are efecte toxice, producând inhibarea proceselor enzimatice,reducerea intensităţii de eliminare a bioxidului de carbon şi reducerea numărului de microorganisme, toate acestea având consecinţe grave în ceea ce priveşte absorbţia elementelor nutritive de către plante. Pe lângă acestea, provoacă dereglări în metabolismul microorganismelor, afectând în special, procesele de respiraţie şi de înmulţire a celulelor.

Deşi conţinutul mediu de plumb în plante variază de la 0,5 ppm la 3 ppm, datorită poluării solului cu cantităţi mari de plumb are loc o acumulare a acestuia în plante. Acţiunea toxică a plumbului se manifestă mai grav la animalele rumegătoare, deoarece rămâne mai mult timp în tubul digestiv, ceea ce măreşte posibilitatea absorbţiei plumbului.

Acumularea în exces a plumbului în organismul uman poate produce, printre altele, leziuni grave de tipul encefalopatiilor saturnice, degenerarea nervilor periferici, scleroză pulmonară, hipertrofie cardiacă, ficat icteric, rinichi sclerozaţi etc.

Zincul (Zn) – este un element indispensabil tuturor organismelor, dar poate deveni şi toxic în unele împrejurări şi condiţii. Este introdus în atmosferă din diferite procese industriale şi din alte activităţi umane atât sub formă stabilă cât şi sub formş radioactivă. Zincul este necesar datorită faptului că intră în alcătuirea unui număr mare de enzime. Multe organisme concentrează zinc în cantităţi mult mai mari decât cele necesare funcţionării lor normale.

5

Zincul apare în sol, în general, în concentraţii de 10-300 ppm, mai frecvent între 30-50 ppm, şi pare să fie destul de mobil. Excesul de zinc provoacă cel mai frecvent modificări ale proprietăţilor fizice şi fizico-chimice, reducând astfel activitatea biologică din sol. În plante, zincul devine toxic la conţinuturi mai mari de 400 ppm (substanţă uscată), datorită probabil faptului că împiedică absorbţia altor elemente esenţiale. Fiind absorbit uşor de către plante din sol, zincul se acumulează în proporţie mai mare în organele verzi ale plantei şi are o toxicitate relativ redusă pentru animale. În ceea ce priveşte omul, limita admisiblă în alimente este de 50 ppm. Efectele toxice ale zincului produc dereglarea activităţii enzimatice a microorganismelor din sol şi vătămări a celulelor vegetale cu care vin în contact.

Cadmiul (Cd) – este un metal cu o puternică acţiune toxică asupra organismelor. El este prezent în sol îndeosebi sub formă de carbonat de cadmiu (CdCO3), compus care exercită un control major al solubilităţii cadmiului în soluri cu pH ridicat, iar în solurile gleizate (în condiţii reducătoare) cadmiul este prezent preponderent sub formă de sulfură. Totuşi drenarea acestor soluri şi revenirea la condiţii oxidante duce la scăderea pH-lui care are ca efect creşterea mobilităţii cadmiului.

Cadmiul pătrunde în organisme prin hrană şi prin suprafaţa corpului acumulându-se selectiv în diferite ţesuturi, crescând temperatura şi scăzând salinitatea.

Poluarea solului cu Cd are loc în special prin ploi torenţiale, depozitarea nămolului din canalizări pe terenurile agricole şi utilizarea fertilizatorilor fosfatici. În solurile acide cadmiul este mai mobil şi este mai puţin probabil de a fi adsorbit puternic de particulele de minerale, argilă şi nisip. Absorbţia cadmiului depinde de concentraţia lui, de pH, tipul de sol, durata de contact şi concentraţia liganzilor complecşi.

Concentraţia medie a cadmiului în sol este de 0,11 ppm, iar a solului neîncărcat este de 0,1-1 ppm. Mare parte a cadmiului ajuns în atmosferã este consecinţa activităţii umane, iar în măsură mai mică, şi acţiunea vulcanică poate genera emisie de cadmiu. Sursa cadmiului ajuns în atmosferă este prelucrarea metalelor neferoase, arderea deşeurilor, producţia îngrăşămintelor chimice de fosfat şi negestionarea apei menajere şi aluviunilor menajere. Cadmiul este legat ireversibil de către oxidele ferice şi de mangan din sol, respectiv de către mineralele argiloase, astfel influenţând mobilitatea cadmiului. În acelaşi timp, cadmiul se află în legătură chimică strânsă cu zincul, deoarece în sol proporţia Zn/Cd este constantă. Admisibilitatea de către plante poate fi influenţată de concentraţia cadmiului în sol, condiţiile pH-ului, temperatură, cantitatea de materii organice, respectiv prezenţa altor metale.

Fitoremedierea solurilor

Poluarea solului cu metale grele este cel mai des intâlnită, fiind în topul celor mai poluate locuri din lume, top întocmit de comisia tehnică BlackSmith Institute din New York. Criteriile ierarhiei au fost numărul de persone afectate, toxicitatea substanţelor şi dovezile privind problemele de sănatate cauzate de poluarea din zonă.

Remedierea solurilor poluate cu metale grele poate fi realizată folosind procese fizico-chimice cum ar fi schimbul de ioni, precipitarea, osmoza inversă, bineînţeles tinâdu-se cont şi de resurse şi costuri. O atenţie deosebită este acordată fitoremedierii în care plantele sunt

6

utilizate pentru a absorbi, transforma şi neutraliza metalele grele. Această metodă este simplă, eficientă, accesibilă din punct de vedere financiar şi “prietenoasă” cu mediul înconjurător.

Fitoremedierea se referă la bioremedierea botanică şi implică utilizarea plantelor verzi pentru decontaminarea solurilor, apelor şi aerului. Este o tehnologie care poate fi aplicată atât poluanţilor organici cât şi poluanţilor anorganici (mai ales metale) prezenţi în sol, apă sau aer.

Ideea utilizării plantelor ce acumulează metale, pentru înlăturarea selectivă şi reciclarea metalelor aflate în exces în mediu, a fost introdusă în 1983, a câştigat interes deosebit în anii 90′ şi a fost examinată tot mai mult ca o tehnologie practică, puţin costisitoare comparativ cu metodele clasice de înlocuire sau spălare a solurilor poluate.

Scenariul ideal pentru fitoremedierea poluanţilor elementali implică extracţie, translocarea cationilor toxici sau oxianionilor în ţesuturile supraterane şi recoltarea acestora, conversia elementelor în rădăcini pentru prevenirea percolării din zona poluată.

Fitoremedierea solului poate fi limitată de:-Adâncimea zonei de tratare este determinată de plantele folosite în fitoremediere. În majoritatea cazurilor, acest procedeu poate fi folosit pe solurile de mică adâncime.- Concentraţiile mari de substanţe periculoase pot fi toxice pentru plante.- Uneori se poate face doar în anumite sezoane, în funcţie de locaţii.- Poate transfera poluanţii între medii, cum ar fi de exemplu din sol în aer.- Nu este eficient pentru poluanţii puternic absorbiţi (cum ar fi PCB) şi cei absorbiţi slab.- Toxicitatea şi biodisponibilitatea produşilor de degradare nu sunt întotdeauna cunoscute.- Produşii pot fi mobilizaţi în apele subterane sau bioacumulaţi în animale.

Fitoremedierea poate fi sub formă de: - fitoextracţie care constă în consolidarea iazului cu plante care elimină metalele din sol, concentrându-le în părţi aeriene disponibile pentru recoltare.- fitodegradare care constă în consolidarea iazului cu plante care degradează singure poluanţi sau odată ajunşi în plante poluanţii sunt degradaţi de bacterii şi de microbi. - rizofiltrare care constă în consolidarea iazului cu plante a căror rădăcini introduse în apele tehnologice deversate în iaz absorb metale poluante. - fitostabilizare - consolidarea iazului cu plante care reduc mobilitatea contaminanţilor şi/sau biodisponibilitatea. Biodisponibilitatea este raportul dintre cantitatea de substanţă poluantă şi viteza cu care odată cedată organismului aceasta ajunge la locul de acţiune şi işi manifestă efectul biologic. - fitovolatilizare - consolidarea iazului cu plante care volatilizează poluanţii în atmosferă.

Tabelul 1.: Avantajele şi dezavantajele fitoremedierii (http://www.chimiamediului.ro/2009/10/17/fitoremedierea/)

Avantaje Dezavantaje

In situ Se limitează la apele cu adâncime mică, straturile superficiale ale solurilor;

Este un proces pasiv Cantităţi mari de substanţe poluate pot fi toxice plantelor şi/sau animalelor şi oamenilor

care le consumă;

Foloseşte energia solară Este limitată de condiţiile climatice sezoniere, iar creşterea plantelor este un proces relativ

lent;

7

Costurile se ridică la 10-20% din cele necesare proceselor mecanice de tratare

Timpul necesar fitoremedierii este mult mai îndelungat decât cel necesar remedierii prin

procese mecanice;

Conservă resursele naturale Presupune găsirea unor soluţii eficiente de procesare a materialului vegetal recoltat;

Este larg acceptat de către public Toxicitatea şi biodisponibilitatea produşilor rezultaţi în urma biodegradării nu se cunoaşte

încă;

Implică un risc foarte mic de poluare a aerului şi a apelor

Există riscul contaminării pânzei freatice de adâncime;

Cercetările făcute pe plantele capabile sa asimileze metale grele s-au axat pe plante precum Polygonum hydropiper, Rumex acetosa, Lolium perenne, Brassica juncea, Helianthus annus, Brassica napus, Streptanthus polygaloides, Sebertia acuminata, Armeria maritima, Aeollanthus biformifoliu. Asadar, plantatiile de Jatropha curcas pot avea unele avantaje, cum ar fi: remedierea solurilor poluate cu Pb si Cd, imbogatirea spatiilor verzi si folosirea la fabricarea biodiesel-ului.

Studiul lui Sarwoko a avut ca obiectiv evaluarea eficientei plantelor de Jatropha curcas asupra asimilarii cadmiului si a altor metale grele, singure sau impreuna cu alti poluanti, din sol. In urma studiul facut, s-a observat ca Jatropha nu asimileaza cadmiu si alte metale grele. Totusi, aceasta planta se poate utiliza in fitoremedierea solurilor poluate cu cadmiu si alte metale grele, tinand seama ca initial concentratia maxima a fost de 50 mg/Kg pentru fiecare. Cadmiul a fost mai toxic decat celelalte metale grele pentru plantele cultivate in conditii normale, dar nu s-a observant niciun efect negativ in prezenta cadmiului impreuna cu celelalte metale grele.

Erbaceele sunt unele dintre cele mai tolerante plante la metale grele. Selecţia naturală activează unul sau mai multe mecanisme de toleranţă, iar ca efect de lungă durată poate conduce la formarea de ecotipuri tolerante.

Asemenea toleranţe dobândite au la baza lor unul sau mai multe mecanisme de detoxifiere a metalelor în exteriorul sau în interiorul citoplasmei care se observă prin semnalele fiziologice sau biochimice. Vacuola este locul de acumulare a metalelor grele, iar acest compartiment al celulei conţine concentraţii mari de liganzi organici care pot chelatiza metalele în forme solubile sau insolubile.

Anghel şi colab., în lucrarea lor despre fitoremedierea solurilor cu metale grele au prezentat un experiment făcut de cercetătorii Vogeli-Lange şi Wagner (1990) în cazul plantei Nicotiana Rustica care conţine un tip de polipeptide ce leagă metalul. Cadmiul stimulează producţia de proteine ce vor lega metalul şi-l vor transporta spre vacuolă unde compusul complex rezultat disociază, iar metalul formează produşi finali împreună cu acizii organici din acest compartiment.

Odată ajunse în interiorul celulei, metalele se pot afla în orice formă complexă, exceptănd starea ionică. Proteinele şi peptidele au rol în chelatizarea ionilor metalici, acestea primind denumirea de fitochelatine. Structura lor este asemănătoare cu a glutationului, iar biosinteza este de tip enzimatic. Metalele care se leagă de fitochelatine sunt doar 4: Cd, Cu, Pb şi Zn. Producerea fitochelatinelor şi legarea metalelor intracelulare în exces este un proces foarte rapid şi aparent permite celulei o funcţionare aproape normală. Metalele fiind izolate în

8

vacuole nu se implică în procese de o importanţă crucială pentru metabolismul celulei care se desfaşoară în interiorul citoplasmei.

Pentru a completa studiul facut de cei doi cercetători străini, româncele au studiat capacitatea plantelor erbacee de a absorbi din sol metalele grele, şi anume plumb şi cadmiu, în condiţii de laborator pentru faza de germinaţie şi tinereţe a plantelor.

Cele trei specii de plante urmărite au fost: 1. Mazărea- Telefono Rampicante- plantă erbacee; 2. Busuioc- Ocimum Basilicum- plantă erbacee;3. Tutunul- Nicotiana Rustica - plantă erbacee.

Brown şi colab. (1995) au evaluat asimilarea de zinc şi cadmiu de către Thlaspi caerulescens şi salata verde în studii de doi ani, aplicând nămol. Autorii au concluzionat că fitoremedierea este cel mai probabil limitată la solurile mai puţin contaminate şi are loc în timp. Autorii au estimat o perioadă de18 sezoane pentru tratamentul unui sol cu un conţinut de zinc la 400 mg / kg. Chen şi colab. (2000) au demonstrat într-un studiu de teren că iarba vetiver ar putea acumula 218 g Cd/ha, la o concentraţie a solului de 0.33 mg Cd/kg şi a estimat că patru recolte de iarbă vetiver ar reduce concentraţia de cadmiu la niveluri acceptabile. Robinson şi colab. (1998) au evaluat asimilarea cadmiului, zincului şi plumbului de către Thlaspi Caerulescens. Autorii estimează că planta ar putea elimina 60 kg Zn/ha şi de 8,4 kg Cd/ha pe recolta şi au ajuns la concluzia că aceste rate sunt suficiente remedierea cadmiului, dar sunt ineficiente pentru remedierea zincului.

Despre fitochelatine am intalnit şi studiul făcut de Mudgal şi colab. care le-au studiat mai amănunţit, prezentându-le şi structura şi modul în care leagă metalele grele. Ei le-au identificat ca fiind o clasă de peptide bogate în sulf capabile să fixeze Cd şi alte metale grele. Fitochelatinele au fost descoperite ca fixatoare de Cd în drojdii şi, apoi în diferite plante. Ele sunt capabile să fixeze şi alte metale cum ar fi: Cu, Zn sau As prin intermediul resturilor sulfhidril şi carboxil, dar biosinteza se realizează în special pentru Cd sau aliaje cu As. Aceste peptide sunt înrudite cu glutationul şi conţin un număr variabil (în mod normal 2-5) de grupări glutamat sau cisteina legate de gruparea carboxil a glutamatului. Fitochelatin sintetaza este o enzima activată de Cd care facilitează transformarea glutationului în fitochelatina. Cistein sintetaza catalizează ultima reacţie de legare a sulfatului de aminoacid. Plantele transgenice de tutun în care cistein sintetaza are activitate enzimatică mare în citosol şi cloroplaste s-au dovedit a fi mai tolerante la Cd, Se şi Ni şi nu acumulează metalele în frunze. Arabidopsis thaliana are în citosol cistein sintetaza, iar plantele din genul Trichomes s-au dovedit a fi rezistente la Cd şi pot acumula cantităţi mari din acest metal în frunze. Plantele transgenice de muştar din India conţin gena gshll din E. coli care codifică producerea de cistein sintetază, acumulând vizibil o cantitate mai mare de Cd în muguri decât tipul sălbatic. De asemenea, plantele de muştar, atât puieţii cât şi plantele ajunse la maturitate arată o toleranţă crescută la Cd.

O altă plantă studiată pentru capacitatea sa de fitoremediere este Medicago sativa (alfalfa), o plantă leguminoasă perenă (rodeşte de la 3 la 12 ani) din familia Fabaceae. Singh şi colab., în studiul lor, au dorit evaluarea asimilării cadmiului de către plantele alfalfa crescute fără sol (cu apă) în cultură hidroponică.

Asimilarea metalelor în diferite organe ale plantelor (rădăcini şi muguri) indică faptul că metalele solubile pot intra în rădăcini fie traversând membrana plasmatica a celulelor de la suprafaţa rădăcinii, fie prin spaţiul dintre celule. Asimilarea Cd se face în special prin intermediul transportorilor altor ioni divalenţi. Cei trei cercetători au observat că mai multe gene ZIP din plante, responsabile de transportul zincului şi fierului, transporta de asemenea

9

cadmiul, chiar dacă în proporţii mai mici. Rezultatele lor au arătat că în timpul celor 21 de zile de experimente metalele grele au fost epuizate din soluţiile nutritive, demonstrând absorbţia cadmiului de către plante. Astfel, pornind de la o concentraţie de peste 50 μg/ml cadmiu menţinută timp de 21 de zile în cultura hidroponică, s-a ajuns la concluzia că asimilarea cadmiului a fost de 12360 μg/g în muguri şi de 1920 μg/g în rădăcini. Aşadar, M. sativa este cea mai indicată plantă pentru pocesul de fitoremediere prin faptul că o cantitate mică de biomasă poate acumula o cantitate mare de cadmiu.

Ianovici N., în teza sa de doctorat, a studiat capacitatea de fitoremediere a fungilor. Rolul de bioindicatori şi rezistenţa la stresul toxic fac din fungii micoritici arbusculari buni agenţi în fitoremediere şi de revegetalizare a terenurilor degradate. Speciile fungice care provin din zone care au fost pentru o perioadă îndelungată poluate cu metale grele (Zn, Cd, Pb, etc) sunt de obicei cele mai eficiente pentru practicile fitoremedierii.

Conform literaturii de specialitate, abundenţa fungilor micoritici arbusculari depinde de mai mulţi factori, fiind cert faptul că, unele specii de plante prezintă afinitate mai mare pentru anumite specii fungice. De asemenea, s-a dovedit faptul că, aceeaşi rădăcină poate fi colonizată de mai multe specii fungice precum şi că, FAM prezintă interacţiuni cu bacteriile fiind astfel implicate în sporirea rezistenţei la patogenii plantei. Taxonomia grupului Glomeromycota este neclară şi, deşi colonizează atât de multe plante, până în prezent se cunosc doar câteva specii (206) grupate în următoarele genuri: Acaulospora, Ambispora, Archaeospora, Diversispora, Entrophospora, Geosiphon, Gigaspora, Glomus, Intraspora, Kuklospora, Pacispora, Paraglomus, Scutellospora.

Efectele contaminarii solului cu cadmiu

Solul, ca şi aerul şi apă este un factor de mediu cu influenţă deosebită asupra sănătăţii. El constituie şi un factor important în răspândirea unui număr tot mai mare de boli, ca urmare a poluării sale. Influenşa solului poluat asupra sănătăţii umane se exercită în primul rând ca urmare a poluării sale biologice:

1. poluarea biologică este caracterizată prin contaminarea solului, odată cu reziduurile, cu germeni patogeni care pot fi: excretaţi de om şi transmişi prin sol (bacilii tific, dizenteric, virusurile holerei, poliomielitei, hepatitei, etc) sau eliminaţi de animale şi transmişi prin sol (bacilii tetanic, antracic, clostridii, etc.).

2. poluarea chimică este cauzată în principal de pesticide şi îngrăşăminte.3. poluarea radioactivă. Toxicitatea metalelor grele pentru organismul uman este condiţionată în afară de

frecvenţa şi importanţa aportului de: natura alimentului (în special concentraţia de proteine şi lipide), condiţia fiziologică (vârstă, sex, stare de gestaţie), natura metalului şi a sării metalice şi de solubilitatea acestora în componentele sucului gastric, sucului intestinal şi ale sângelui. Un regim alimentar bogat în proteine micşorează de obicei toxicitatea prin potenţarea mecanismelor de detoxifiere, iar unul bogat în lipide poate potenţa toxicitatea prin creşterea absorbţiei toxicului şi deprimarea mecanismelor de detoxifiere.

Popa M., în lucrarea sa despre impactul poluării mediului asupra calităţii produselor agroalimentare spunea că “omul contemporan are un conţinut de Pb în sânge mai mare decât în sângele omului primitiv de 100 de ori.” Indiferent de sursa de contaminare (alimente, aer, plante, apă), efectele toxice sunt la fel de nocive asupra sănătăţii umane şi a vieţii în general.

10

Metalele grele inhibă creşterea organismelor şi activitatea enzimelor, în special a celor cu S, pentru care manifestă o afinitate deosebită. Legăturile carboxilice şi aminice din proteine sunt şi ele atacate de aceste metale, care se leagă de membranele celulare frânând procesele de transport prin pereţii celular.

Gravitatea efectului toxic este dependentă de natura, cantitatea şi forma chimică sub care se găseşte metalul în produsul alimentar. De asemenea depinde de ponderea pe care alimentul contaminat o deţine în structura meniurilor, de rezistenţa organismului, de efectul sinergic sau antagonic al altor contaminanţi chimici si uneori chiar de alţi factori.

O proprietate importantă care hotărăşte gradul de toxicitate pentru organism o reprezintă solubilitatea metalelor şi a compuşilor metalici. Sucul gastric, sucul intestinal, sângele conţin săruri, acizi, baze, grăsimi, de aceea solubilitatea metalelor şi a compuşilor în aceste lichide poate fi diferită de solubilitatea lor în apă.

Unele metale încep să-şi exercite acţiunea lor dăunătoare abia după ce s-au acumulat în organism într-o cantitate suficientă. Ele sunt reţinute în ţesuturi şi fiecare cantitate nouă de substanţă pătrunsă în organism se adaugă la cea veche, iar la un moment dat, când s-a acumulat o cantitate suficientă, se declanşează boala. Acest efect cumulativ este întâlnit la plumb, mercur, cadmiu.

Un alt mod de acţionare a metalelor toxice este prin acumularea efectului, care se manifestă prin aceea că, acţionând mereu pe aceleaşi ţesuturi şi fiecare cantitate nouă de substanţă pătrunsă în organism se adaugă la cea veche, iar la un moment dat, acestea devin foarte sensibile şi pătrunderea chiar a unei doze foarte mici de substanţa toxică declanşează procesul de intoxicaţie.

Prezenţa metalelor grele a fost în evidenţă în funcţie şi legume ca urmare a absorbţiei din sol, datorită atmosferei poluate şi a instalaţiilor tehnologice, fiind identificate şi în produsele pentru copii. Plumbul, cuprul, zincul şi cadmiul au fost determinate în piureurile de mere, pere şi sucurile de fructe cupajate.

În produsele de origine animală (inclusiv în peşti) şi în special în unele viscere (ficat, rinichi) se pot acumula cantităţi mari de matale grele. Prezenţa metalelor grele a fost identificate în condimente şi în numeroşi aditivi.

În conţinutul laptelui, şi prin urmare în produsele lactate, se pot strecura substanţe străine, de regulă cu efect toxic, numiti poluanti. Poluarea laptelui cu metale grele nu se realizeză prin furaje, pentru că glanda mamară este un filtru foarte bun pentru aceste elemente. Ea se realizează numai prin contaminarea laptelui cu soluţii care le conţin. Metalele grele, aşa cum sunt: plumbul, cadmiul, mercurul, pot ajunge şi ele în lapte din furaje sau din conserve.

Cadmiul, ajuns în sau pe produsele alimentare, determină leziuni renale, hepatice, persoanelor în vârstă, favorizează apariţia fracturilor osoase diverse(prin tulburările de calciu la nivelul oaselor), poate produce cancer de prostată şi pulmonar.

Cadmiu poate avea efecte nocive asupra organismului uman atât în cazul expunerii acute cât şi în cazul celei de lunga durată. Este un element care are proprietatea de a se acumula în organismul uman o dată cu vârsta şi este foarte greu eliminat de organism.

S-a estimat că durata în care un organism elimină jumătate din cantitatea de Cadmiu ingerată (timpul de înjumătăţire biologic) este de 20 de ani. Un timp de injumătăţire aşa de mare explică de ce Cadmiul se acumulează în mod constant până pe la vârsta de 50 de ani. El este depozitat în special în rinichi legat de MT (metallo-thionein), de unde poate fi eliminat prin urină sub formă de Cd-MT.

Biodisponibilitatea ridicată a Cadmiului pentru plante, face ca acest element să pătrundă cu uşurinţă în lanţul trofic şi deci în organismul uman. Odată pătruns în organismul

11

uman, Cadmiul este greu de eliminat şi, ca urmare, se acumulează în ţesuturi. Principalele sintome care apar la expunerea de scurtă durată sunt: greaţă, vărsături, dureri abdominale.

În cazul expunerii de lungă durată pot fi afectate următoarele organe: Plămâni: emfizeme pulmonare, creşterea riscului de cancer pulmonar. Ficat: în general pe termen lung ficatul este protejat împotriva intoxicării cu Cadmiu

care este legat de MT şi depozitat în rinichi (MT poate lega până la 7 atomi de Cd). Rinichi: datorită acumulării în rinichi a Cd pe termen lung pot apărea disfuncţii

glomerulare şi tubular, disfuncţii renale. Datorită faptului că rinichi sunt organele care reglează cantitatea de săruri în organism, în cazul intoxicaţiei cu Cadmiu pot apărea dereglări majori a concentraţiei anumitori ioni. Poate apărea o eliminare a Ca care poate duce la decalcifierea oaselor.

Sistemul osos: decalcifierea oaselor. Sistemul cardio-vascular: se observă o creştere a tensiunii arteriale. Sistemul nervos central: poate apărea o intoxicare cu Cadmiu a SNC doar în primele

luni de viaţă intrauterină; după care intră în acţiune sistemul de protecţie al creierului. Cadmiul mai poate afecta: glandele endocrine, sistemul reproductiv.

Inhalarea acută a unor doze mari de cadmiu poate cauza iritare severă respiratorie cu durere toracică de tip pleuritic, dispnee, cianoză, febră, tahicardie, greaţă şi edem pulmonar necardiogen. Debutul simptomelor poate fi întârziat cu 4-24 ore. Expunerea acută prin ingestie poate cauza greaţă, vărsături, salivaţie, crampe abdominale şi diaree severă. Doza orală unică letală s-a raportat că variază între 350 şi 8900 de mg. Efectele cronice ale expunerii la cadmiu sunt dependente de doză şi includ: anosmie, îngălbenirea dinţilor, emfizem, modificări minime în funcţia hepatică, anemie hipocromă microcitară ce nu răspunde la tratamentul cu fier, disfuncţie tubulară renală caracterizată prin proteinurie şi creşterea excreţiei urinare de (32-microglobulină şi (în intoxicaţia prelungită) osteomalacie, care duce la leziuni osoase şi pseudofracturi. În studiile prospective pe muncitori expuşi profesional s-a descoperit că (32-microglobulinuria este ireversibilă. Unele studii au sugerat asocierea cu hipertensiunea, cancerul de prostată şi cel pulmonar, dar aceasta necesită confirmare.

Nivelul zilnic al excreţiei de cadmiu de către persoane fără expunere cunoscută la cadmiu este, de obicei, sub 10 nmol/1. Acest nivel creşte întrucâtva cu vârsta şi fumatul.

Toxicitatea, incluzând disfuncţia renală, este considerată improbabilă până când nivelul de cadmiu urinar nu depăşeste 100 nmol/1 (10 \\jlgig de creatinina). Nivelurile cadmiului seric reflectă mai degrabă expunerea recentă decât cea cronică şi în general sunt sub 30 nmol/1 (0,3 (ag/dl) la persoanele neexpuse. Un nivel sanguin ce depăşeşte 500 nmol/1 (5 ^g/dl) este considerat toxic. O creştere a concentraţiei urinare a (32-micro-globulinei este cel mai sensibil indicator al dozei crescute de cadmiu şi al nefropatiei, dar poate fi, de asemenea, detectată şi în alte boli renale, cum ar fi pielonefrita cronică.

Nu există tratament eficient dovedit pentru intoxicaţia cu cadmiu. Succimerul este folosit ca antagonist în intoxicaţia cu cadmiu la animale. Deşi nu s-au publicat rezultate ale experientelor pe om, acest medicament ar putea fi luat în considerare pentru tratament. Terapia chelatoare nu este utilă şi folosirea dimercaprolului este contraindicată, deoarece acest agent poate exacerba nefrotoxicitatea. Pilonii principali ai tratamentului constau în etarea expunerii suplimentare şi terapia suportivă (incluzând vitamina D dacă există osteomalacie).

12

Concluzii

Există evidenţe care sugerează că plantele preiau metalele grele din sol în mod diferit. De aceea investigaţiile asupra tipului de plantă erbacee care preiau concentaţii diferite de metal greu din sol în condiţii controlate reprezintă o sursă importantă de informaţii.

Conform datelor din literatură, în mod evident aceste plante pot fi folosite pentru bioecologizarea solului. Ele absorb metalele din sol şi îl sintetizează la nivelul celulelor. Datorită toxicitaţii ridicate a plantelor, ele nu pot fi utilizate în alimentaţie, însă ele sunt recomandate pentru decontaminarea solurilor poluate cu metale grele ca şi plumb şi cadmiu, fiind la ora actuală cea mai indicată metodă datorită costurilor reduse şi simplicităţii. Culturile obţinute de pe astfel de terenuri nu vor putea fi utilizate pentru hrana omului sau a animalelor, ci cu scopul exclusive de a decontamina solul.

Plantele Medicago sativa (alfalfa) au un potenţial ridicat de absorbţie a cadmiului, asimilând 80-85% din cadmiul adăugat în cultura hidroponică, ceea ce le face utilizabile pentru fitoremedierea solului şi a apei.

Folosirea de îngrăşăminte (cu reziduuri de Cd) duce la acumularea acestuia în sol, de unde este preluat de plante, migrând rapid în organele acestora. Orezul, grâul acumulează cantităţi mari de cadmiu.

Mercurul şi cadmiul se acumulează în fito şi zooplancton, moluşte crustacee, insecte acvatice, specii de peşti rezistenţi la prezenţa lui.

Cea mai mare concentraţie de Cd a fost gasită în frunzele plantelor de 35 de cm de Capsicum annuum (0.159 mg/Kg).

Intoxicaţia cu cadmiu afectează ficatul (enzimele metabolice), duce la scăderea eritropoiezei şi la anemie, scăderea calcemiei, etc.

13

Bibliografie

1. Luduşan N., “Efectele acumulării metalelor grele în soluri asupra componentei biotice din Depresiunea Zlatna”, Revista de cadastru RevCAD’07/2007, pag. 190-191;

2. Clepan D., “Poluarea mediului”, Alba Iulia, 2000;3. Godeanu, S., “Elemente de monitoring ecologic/integrat”, Bucureşti,

1997;4. Anghel A., Lucaci A., “Fitoremedierea solurilor contaminate cu metale grele”,

Simpozionului Naţional Studenţesc „Geoecologia”, pag. 6-8, Arad, 2007;5. Mudgal V., Madaan N., Mudgal A., “Heavy metals in plants: phytoremediation: Plants

used to remediate heavy metal pollution”, Agriculture and Biology Journal of North America, pag. 42, 2010;

6. Singh A., Eapen S., Fulekar M., “Potential of Medicago sativa for uptake of cadmium from contaminated Environment”, Romanian Biotechnological Letters, Vol. 14, pag. 4164-4169, 2009;

7. Soceanu A. D., “Studiul fizico-chimic şi analitic al unor poluanţi din plante”, teză de doctorat, cond. stiinţific: prof. univ. dr. Vasile Magearu, Bucureşti, 2009;

8. CARTEA ALBĂ a deşeurilor miniere din Moldova Nouă şi Sasca Montană, pag. 6, 2009;

9. Sarwoko M., “Jatropha curcas for Phytoremediation of Lead and Cadmium Polluted Soil”, World Applied Sciences Journal 4, pag. 521-522, 2008;

10. Ianovici N., “Cercetări morfoanatomice asupra speciilor genului Plantago din Romania”, teză de doctorat, cond. ştiinţific: prof. dr. Marin Andrei, Bucureşti, 2009;

11. Popa M., “Cercetări privind impactul poluării mediului asupra calităţii produselor agroalimentare”, International Scientific Conference, Chemistry-Section, p.167, Miskolc, 2002;

12. http://www.chimiamediului.ro/2009/10/17/fitoremedierea ;13. http://www.rosiamontana.ro/img_upload/c77c3453789af5de5049783baaa35f31/

Anexa_2_verespatak_kutjel_pdf_RO.pdf;14. http://www.lefo.ro/iwlearn/sanatatea_um.htm ;15. http://www.revista-ferma.ro/articole-alimentatie/contaminarea-laptelui-cu-

poluanti.html;16. http://www.medicultau.com ;

14