BIOREMEDIERE

UNIVERSITATEA DIN PITETIFACULTATEA DE TIINESPECIALIZAREA: ECOLOGIE I PROTECIA MEDIULUI

ANUL UNIVERSITAR 2011-2012

Conform DEXI: A REMEDIA - A corecta, a ndrepta, a mbunti o situaie sau o stare critic, a vindeca REMEDIU Mijloc de ndreptare sau de mbuntire a unei stri sau a unei situaii - Soluie - Medicament, leac REMEDIERE Rezultatul aciunii de a remedia: ndreptarea, corectarea sau mbuntirea unei stri sau a unei situaii critice

CONCEPTUL DE BIOREMEDIERE BIOREMEDIEREA = Ansamblul proceselor biotehnologice care utilizeaz microorganisme sau compui metabolici ai acestora (enzime, antibiotice etc.), precum i organisme vegetale n scopul mbuntirii structurale i funcionale a ecosistemelor deteriorate de diferii ageni poluani, prin reducerea efectelor nocive ale acestora.

Bioremediere - Biotehnologie BIOTEHNOLOGIA tiin care studiaz procesele de producie bazate, preponderent, pe activitatea microorganismelor i a principalelor componente ale acestora, precum i pe utilizarea celulelor i a esuturilor aparinnd organismelor vegetale i animale

Bioremediere Biorestaurare

Bioremedierea implic utilizarea microorganismelor sau plantelor n scopul eliminrii, reducerii n timp sau ameliorrii consecinelor imediate ale polurii Un exemplu de bioremediere: curirea zonelor poluate cu hidrocarburi petroliere > fertilizarea solurilor poluate cu ngrminte organice ce conin bacterii cu un potenial ridicat de descompunere a petrolului.

Principalele ci de bioremediere (1)1) Bioacumulare - Fitoremedierea solurilor poluate cu metale grele 2) Biodegradare - Biodegradarea hidrocarburilor petroliere 3) Biofiltrare - Epurarea apelor reziduale cu biofiltre - Micofiltrarea 4) Biosolubilizare - Bioleierea metalelor din zcmintele metalifere 5) Biorestaurare - Micoremedierea solurilor degradate

Principalele ci de bioremediere (2) 6) Tratament cu bioreactor: Bioremedierea ex-situ 7) Biostimularea (Biofertilizarea): Cometabolism 9) Bioventilarea: Biodegradarea hidrocarburilor petroliere din sol 10) Compostarea: Bioconversia deseurilor vegetale si animale 11) Landfarming: Tratamente agrotehnice urmate de cultivarea terenurilor cu specii de plante acumulatoare de xenobiotice

Tipuri de procedee pentru bioremediere A) n funcie de zona de aplicare: - Bioremediere in situ - Bioremediere ex situ B) n funcie de organismele biologice utilizate n bioremediere: - Bacterioremediere - Micoremediere - Fitoremediere C) n funcie de ecosistemul afectat de poluare: - Bioremediere a ecosistemelor terestre - Bioremediere a ecosistemelor acvatice D) n funcie de modul de funcionare a procesului bioremedierii: - biostimulare - bioacumulare - bioventilare - bioextracie - biofiltrare - biofermentare (compostare)

Factorii determinani ai bioremedierii

Cunoaterea rolului i importanei circulaiei elementelor chimice n natur, sub forma ciclurilor biogeochimice, care se desfoar prin activitatea metabolic permanent a organismelor biologice, n cadrul lanurilor i reelelor trofice existente n structura ecosistemelor naturale

Factorii determinani ai bioremedierii

Tehnologii de BIOREMEDIERE

Specii de Microorganisme Plante

FACTORII POLUANI FIZICI CHIMICI

FACTORII DE MEDIU ABIOTICI Nutrimentele Temperatura Nivelul pH Umiditatea Concentraia de O2/CO2 BIOTICI

Microbioremedierea (1)

I. Bacterioremedierea a) Bacteriosolubilizarea II. Micoremedierea a) Micofiltrarea b) Micoacumularea c) Micorestaurarea

Microbioremedierea (1)

Condiiile eseniale pe care trebuie s le ndeplineasc toate microorganismele implicate n bioremedierea zonelor poluate: - s provin din habitate naturale, de preferin, chiar din situsul poluat ce urmeaz a fi restaurat; - s nu fie obinute prin activiti de manipulare genetica; - s nu fie specii patogene sau s posede potenial toxic; - s demonstreze flexibilitate metabolic fa de variaiile factorilor de mediu; - s posede un echipament enzimatic adecvat biotransformrii eficiente a substanelor poluante; - s se integreze n habitatul natural, fr s afecteze echilibrul biologic al ecosistemului respectiv; - s nu produc efecte nedorite care s contravin normelor legislative de protecie a mediului natural

Bacterioremedierea

Grupuri specifice de bacterii utilizate n bioremediere Bacterii hidrocarbonoclastice degradeaz hidrocarburile petroliere Bacterii lignocelulolozolitice degradeaz deeurile lignocelulozice Bacterii metalofile acumuleaz ioni de metale grele (Cd, Pb, Zn, Fe etc.)

Micoremedierea

Micoremedierea = - un proces de utilizare a unor specii fungice pentru refacerea structural i funcional a unor ecosisteme terestre sau acvatice contaminate cu poluani toxici, prin eliminarea lor sau diminuarea efectelor nocive ale acestora. Termen introdus pentru prima dat de Stamets (2000), referindu-se la utilizarea miceliului de ciuperci comestibile sau medicinale n scopul bioremedierii unor ecosisteme agricole i silvice. Micofiltrarea definete un proces asemntor celui de micoremediere, prin care miceliul unor specii de ciuperci macroscopice este utilizat n epurarea apelor uzate industriale, contaminate cu reziduuri toxice.

Noiunea de POLUARE Poluarea = complex de fenomene sau procese care au drept rezultat deteriorarea ecosistemelor prin declanarea dezechilibrelor ecologice cu efecte nocive directe sau indirecte asupra biocenozelor Tipuri de poluare: Poluare antropic Poluare natural

Noiunea de poluant Noiunea de poluant se refer la toi factorii fizici (radiaii electromagnetice, ionizante, termice, fonice), chimici (substane organice i anorganice de sintez) sau biologici (toxine virale, bacteriene, fungice etc.), care afecteaz direct sau indirect sistemele biologice, provocnd efecte nocive asupra strii de sntate a acestora Efecte nocive = cu potenial toxic a) Efecte pretoxice b) Efecte toxice propriu-zise

Poluant i Contaminant Termenul de contaminant, spre deosebire de cel de poluant, are un caracter mult mai restrns, fiind strict specific pentru efecte nocive cu caracter de mas i aciune extrem de rapid Exist dou forme de utilizare: 1) Contaminarea biologic (viral, microbian) cu referire strict specific la agenii virali i microbieni care provoac boli infecioase, cu transmitere prin contagiune. 2) Contaminarea radioactiv extinderea recent a accepiunii de efect negativ cu caracter de mas

Noiunea de TOXIC Toxic poate fi definit orice factor de natur chimic, fizic sau biologic care are tendina de a perturba homeostazia unui sistem biologic, precum i echilibrul acestuia cu mediul natural n care este integrat Noiunea de toxic este asociat indispensabil cu cea de doz, sau cea de concentraie. Orice poluant a crui doz sau concentraie depete nivelele maxime naturale de suportabilitate poate fi considerat toxic.

Precizri importante Nu trebuie confundat noiunea de poluant cu cea de toxic, deoarece un poluant nu are ntotdeauna un efect toxic, care s afecteze starea de sntate a unui sistem biologic Nu exist substan toxic n sine, iar toxicitatea unei substane rezid n efectele interaciunii sale cu organismele vii

Toxic Toxicitate - Ecotoxicitate n corelaie direct cu termenul de toxic apare noiunea de toxicitate, care semnific rezultatul interaciunii dintre sistemul biologic i poluantul cu potenial toxic Conceptul de ecotoxicitate se refer la procesele de perturbare a structurii i funciilor ecosistemelor, ca o consecin a aciunii directe sau indirecte a unor ageni poluani, manifestate prin dezechilibre ecologice reversibile sau ireversibile

INTERACIUNEA SISTEM BIOLOGIC-XENOBIOTIC

Impactul xenobioticelor la nivelul populaiilor i comunitilor de organisme biologice reprezint consecina propagrii n trepte a efectelor interaciunilor dintre aceti factori poluani i materia vie, de la nivel molecular pn la nivel biocenotic i chiar la nivelul biosferei Pentru a caracteriza din punct de vedere ecotoxicologic dinamica unui anumit ecosistem confruntat cu fenomenul de poluare, trebuie analizate toate etapele specifice procesului de interaciune a organismelor biologice cu factorii poluani reprezentai de xenobiotice

Fazele interaciunii sistem biologic-xenobiotic

n procesul apariiei fenomenului de intoxicaie se pot distinge trei faze: faza de expunere faza toxico-cinetic faza toxico-dinamic

Faza de expunere Pentru ca un xenobiotic s-i exercite aciunea sa asupra unui organism, acesta trebuie s fie expus unei anumite doze, corespunztoare producerii unui efect toxic Aceast prim faz a interaciunii dintre organism i xenobiotic reprezint etapa iniial de manifestare a fenomenului de toxicitate, concretizat prin contactul direct sau indirect al xenobioticului cu organismul receptor (gazd)

Cile de expunere Cile de expunere direct: transcutanat - prin contact tegumentar transmucoas - prin contact ocular, vaginal respiratorie - prin inhalare Cile de expunere indirect: digestiv - prin ingestie transplacentar - prin transfer placentar

Faza toxico-cinetic Aceast faz corespunde aciunii organismului asupra xenobioticului i cuprinde urmtoarele etape, studiate n funcie de timp: absorbie distribuie (transport) depozitare (acumulare) acumulare biotransformare (metabolizare) eliminare (evacuare)

Absorbia xenobioticului Absorbia reprezint trecerea xenobioticului din mediul extern n mediul intern (circulaia sanguin i limfatic) prin traversarea mai multor tipuri de membrane din: mucoasele tractusului gastro-intestinal mucoasele cilor respiratorii straturile superficiale ale tegumentelor Traversarea membranelor este condiionat de: natura chimic i organizarea structural a moleculelor constitutive ale membranelor; proprietile fizico-chimice ale mediului adiacent ambelor fee ale membranei; caracteristicile structurale ale membranelor

Transportul xenobioticelor prin membranele celulare Traversarea membranelor se realizeaz prin: transportul pasiv (difuziune simpl) - trecerea xenobioticului dintr-o zon cu presiune osmotic mare spre o alt zon cu presiune osmotic sczut, n sensul gradientului de concentraie, respectiv, de la o concentraie mai mare la una mai sczut, fr consum de energie Difuziunea - principalul mijloc de traversare a membranelor de ctre xenobioticele cu mas molecular mic, spre exemplu: acizii organici, alcaloizii, substanele organice volatile. transportul activ const n trecerea xenobioticului dintr-o zon cu presiune osmotic mic spre o zon cu presiune osmotic mai mare, mpotriva gradientului de concentraie (de la o concentraie mai mic la una mai mare), cu consum de energie Transportul activ este caracteristic ionilor metalici i este asigurat de anumite substane cu rol transportor - (carriers)

Distribuia (transferul) xenobioticului Distribuia reprezint transferul xenobioticului din snge n esuturi i organe majoritatea xenobioticelor se distribuie electiv n anumite esuturi, n raport cu proprietile lor fizico-chimice, precum i cu permeabilitatea membranelor celulare (excepie: etanolul se distribuie uniform n toate esuturile) xenobioticele foarte liposolubile strbat uor membranele celulare i se distribuie n esuturi sau organe lipoide i bine vascularizate (exemplu: creier, mduva osoas) xenobioticele liposolubile au un caracter bazic i se distribuie n plmni, rinichi, glande suprarenale xenobioticele hidrosolubile au caracter slab acid, distribuinduse n ficat i rinichi O fraciune din xenobiotic ntlnete receptorii unde i exercit aciunea toxic, iar cealalt fraciune se poate depozita provizoriu sau acumula n diferite esuturi

Depozitarea (localizarea) xenobioticului

Depozitarea (localizarea) reprezint procesul de fixare electiv a xenobioticelor n diferite esuturi sau organe Intensitatea i modul de depozitare a xenobioticelor depind de: vascularizarea esutului afinitatea chimic a constituenilor tisulari pentru anumite xenobiotice

Exemplu.: Pb2+, Ba2+, F- - n esut osos; As3+, Se2+ - n fanere; Ag2+ - n piele

Acumularea xenobioticelor

Acumularea - reprezint ptrunderea repetat sau continu n organism a unor doze subtoxice ale xenobioticelor rezistente la metabolizare i care posed un grad redus de eliminare cnd se atinge o anumit doz apare efectul toxic Exemplu: pesticidele organo-clorurate

Biotransformarea (metabolizarea) xenobioticelor Biotransformarea (Metabolizarea) reprezint conversia enzimatic a xenobioticelor n metabolii cu polaritate accentuat, mai uor excretabili i cu grad de toxicitate redus. Caracteristicile etapei de biotransformare sunt urmtoarele: d.p.d.v. filogenetic biotransformarea xenobioticelor a aprut o dat cu tranziia vieuitoarelor la mediul terestru organismele acvatice nu posed de sisteme de metabolizare, ci ele excret compuii liposolubili direct n ap prin toat suprafaa corporal la organismele terestre, biotransformarea este indispensabil; n lipsa acestui mecanism unele xenobiotice ar necesita mult timp pentru eliminarea lor ca atare (exemplu: etanolul 25 zile) tot n cazul organismelor terestre xenobioticele liposolubile sunt reabsorbite la nivel renal

Eliminarea xenobioticelor Eliminarea reprezint ndeprtarea din snge, limf, lichid interstiial, celule i esuturi a S.T. i/sau a metaboliilor polarizai sau ionizai calea, viteza, durata, gradul eliminrii sunt influenate de o serie de factori fizico-chimici i biologici nocivitatea unei S.T. este cu att mai mare cu ct eliminarea sa este mai lent n principal, eliminarea se realizeaz pe urmtoarele ci: 1 - calea renal principala cale de eliminare a xenobioticelor din organism 2 calea digestiv 3 calea pulmonar 4 alte ci reprezentate de: tegumente, fanere, glande sudoripare, prin intermediul crora se elimin metale grele, arsen, halogenuri, unele substane volatile

Faza toxico-dinamicAceast faz: - corespunde aciunii substanei toxigene asupra organismului - cuprinde ansamblul fenomenelor care se petrec n organism la diferite niveluri, conducnd, n final, la producerea efectului toxic Efectele nocive ale xenobioticelor se manifest la nivel de : esut organ aparat sistem

Factorii determinani ai ecotoxicitii (1) Factorii dependeni de xenobiotic 1. Structura chimic a xenobioticelor 2. Proprietile fizico-chimice - starea de agregare - gradul de solubilitate - gradul de ionizare - gradul de volatilizare 3. Calea de administrare 4. Doza administrat 5. Puritatea xenobioticului 6. Interaciuni cinetice cu alte xenobiotice

Factorii determinani ai ecotoxicitii (2) Factori dependeni de sistemul biologic 1. Specia 2. Sexul 3. Vrsta 4. Strile patologice pre-existente 5. Bioritmul

Niveluri ale interaciunii populaiilor cu xenobioticele

expunerea organismelor vii la aciunea xenobioticului absorbia, acumularea, biotransformarea, biodegradarea aciunea xenobioticului asupra organismelor biologice apariia modificrilor morfo-fiziologice, comportamentale modificarea parametrilor populaionali modificarea parametrilor la nivelul comunitilor efecte la nivel ecosistemic

Fazele interaciunii populaiilor cu xenobioticele Prima faz - eliberarea compusului chimic poluant (xenobioticului), n mediu i, consecutiv, expunerea componentelor biotice i abiotice ale ecosistemului la aciunea perturbatoare a xenobioticului n cea de-a doua faz, xenobioticul interacioneaz cu organismele vii, care fac parte integrant din structura biocenozei ecosistemului expus anterior aciunii poluante. Acest tip de interaciune determin generarea unor efecte la nivel individual, concretizate prin fenomene de bioabsorbie, distribuie, depozitare, biotransformare i eliminare. Cea de-a treia faz corespunde interaciunii xenobioticului cu organismele vii, aparinnd biocenozei din ecosistemul afectat, care se manifest, preponderent, prin transformri structurale i funcionale, pornind de la nivel molecular, pn la niveluri superioare de organizare a materiei vii, cum sunt: populaiile i comunitile de organisme biologice

Conceptul de ecotoxicitate n comparaie cu cel de toxicitate

TOXICITATE Studiaz procesele

ECOTOXICITATE

Studiaz procesele fizico-chimice care perturbatoare ce acioneaz determin perturbarea asupra structurii i funciilor homeostaziei sistemelor ecosistemelor i care sunt biologice individuale. generate de modificri ale Analizeaz efectele transferului de materie, energie toxice in vitro ale i informaie. poluanilor la nivelul Analizeaz efectele toxice in organismelor situ ale poluanilor asupra individuale, sistemelor biologice reprezentate prin populaionale integrate n tulburri fiziologice mediul abiotic i asigur reversibile sau prelucrarea statistic a datelor modificri morfologice obinute

Biodisponibilitatea Biodisponibilitatea - reprezint proprietatea intrinsec a unui anumit xenobiotic de a fi concentrat de ctre un organism biologic, fie pe suprafaa corpului su, fie n interiorul acestuia - se refer la gradul n care xenobioticul este: 1- accesibil pentru a fi concentrat de organismul biologic 2 - capabil de produce un efect la nivelul unui anumit situs de aciune Exemplu: disponibilitatea unor metale, existente n sedimentele acvatice, de a contribui la accelerarea extinciei speciilor bentice.

Bioacumularea (1)

Bioacumularea - reprezint acumularea net a unui poluant n stare lichid, gazoas sau solid, pe suprafaa i n interiorul organismelor vii aparinnd unor populaii sau comuniti; - este un proces biochimic, care const n concentrarea selectiv a unor compui chimici n celulele i esuturile unui organism biologic, ntr-o proporie mult mai ridicat dect cea existent, ca atare, n mediul natural

Bioacumularea (2) Procesul de bioacumulare (bioconcentrare) se desfoar prin dou fenomene distincte, determinate de calea de ptrundere n organism a substanei poluante, precum i de starea de agregare a acesteia, i anume: adsorbia i absorbia. Mecanismele posibile de realizarea a procesului de bioacumulare (bioconcentrare) includ: ADSORBIA DIFUZIA PASIV TRANSPORTUL ACTIV (DIFUZIA FACILITAT) ENDOCITOZA

Factorii care influeneaz fenomenul de bioacumulare

Gradul de bioacumulare a unui xenobiotic ntr-o anumit biocenoz este dependent de: 1 - proprietile fizico-chimice ale xenobioticului; 2 - nivelul de organizare a sistemului biologic implicat n interaciunea cu xenoboticul; 3 - factorii de mediu extern (temperatura, indicele pH, concentraia de oxigen, dioxid de carbon, concentraia de elemente minerale, etc) 4 caracteristicile mediului intern la nivelul situsului de interaciune a organismelor cu xenobioticele

Fenomene de bioacumulare n lanuri i reele trofice Bioacumularea unui xenobiotic prezent n hrana organismelor individuale, prin procese de asimilaie direct, constituie un factor determinant n estimarea transferului xenobioticului ntre membrii diferitelor niveluri trofice dintr-o biocenoz. Procesul de bioacumulare este utilizat pentru estimarea amplitudinii transferului trofic ntre nivelurile reprezentate, pe de o parte, prin nsi sursa de hran, respectiv, productorii primari i speciile prad, iar, pe de alt parte, de toate celelalte grupe de consumatori, att erbivori, ct i carnivori

Eficiena asimilaiei unui xenobiotic Estimarea eficienei asimilaiei unui xenobiotic 1 - Cantitatea de xenobiotic existent ntr-un organism individual, dup o anumit perioad de timp, bine determinat, corespunztoare atingerii nivelului de concentraie stabil este raportat la cantitatea total de xenobiotic asimilat de organism n decursul acelei perioade 2 - Cantitatea de hran ingerat, precum i cea eliminat prin excreie, de-a lungul unei anumite perioade de timp, sunt utilizate pentru calcularea eficienei asimilaiei poluantului de ctre organism.

Biotransformarea (1)

Biotransformarea reprezint procesul biochimic de metabolizare a xenobioticelor pentru conversia lor n compui cu structur chimic simplificat sau pentru descompunerea acestora pn la formele elementare. Aceast conversie mediat biochimic, destinat transformrii unui compus chimic n altul, implic un complex de reacii catalizate enzimatic, care pot conduce, n final, la o inhibiie de tip competitiv, prin atingerea punctului de saturaie cinetic a reaciilor biochimice

Biotransformarea (metabolizarea) (2) Biotransformarea (metabolizarea) poate determina eliminarea, detoxificarea, sechestrarea, redistribuirea sau chiar activarea anumitor produi rezultai din complexul de reacii biochimice care se produc Procesul de metabolizare a xenobioticelor concentrate n organismele biologice poate s determine intensificarea ritmului de eliminare a metaboliilor, rezultai din reaciile de transformare biochimic Exemplu: xenobiotice liposolubile, care sunt convertite sub forma unor compui hidrosolubili (oxidarea naftalenului la naftalen-diol)

Biotransformarea (3) Unele xenobiotice pot fi transformate n metabolii lipsii de toxicitate, proces numit detoxicare. Anumii compui toxici pot fi reinui prin sechestrare sau imobilizare n anumite situsuri din structura intern a organismelor, eliminnd sursa producerii de efecte adverse asupra sistemelor biologice respective Efectele adverse pot s apar cnd: 1- se declaneaz mecanismul de activare a compusului toxic, prin intermediul cruia efectul negativ al xenobioticului asupra organismului poate s devin mai intens sau 2- exist riscul transformrii compusului inactiv, existent n faza iniial, ntr-unul cu activitate advers mult mai intens.

Eliminare = Detoxicare = Epurare Fenomenul de detoxicare este asociat cu cel de eliminare prin excreie metabolic a unui poluant, prin care se produce o scdere treptat a concentraiei acestuia n interiorul organismului intoxicat. n strns conexiune cu noiunile de eliminare sau detoxicare se ntrebuineaz termenii: epurare sau purificare, curire sau limpezire Epurarea sau purificarea unui organism intoxicat este un termen asociat cu metodologia prin care sistemul biologic este plasat i meninut, o anumit perioad de timp, ntr-un mediu de nalt puritate, n vederea eliminrii poluantului. Curirea sau limpezirea reprezint mecanismul biochimic a crui funcionalitate reflect ritmul de trecere a substanei poluante ntre compartimentele din interiorul organismului care posed niveluri normale ale concentraiei xenobioticului

Importana mecanismelor de eliminare specific Importana mecanismelor de eliminare specific a xenobioticelor variaz: 1 - n funcie de speciile de organisme, 2 - dup tipul de xenobiotic Speciile vegetale pot s elimine xenobioticele fie prin fenomene de purificare (evapo-transpiraie), fie prin cderea frunzelor, exudaie radicular, fie, chiar, prin leziuni provocate de animalele erbivore. Speciile animale pot s elimine din organisme anumite substane poluante prin diferite mecanisme, cum sunt: transportul activ la nivelul operculelor, expiraia pulmonar, secreia biliar, secreia gastrointestinal, excreia digestiv i renal, ponta, nprlirea, etc.