HIGANYSZENNYEZŐDÉS ELTÁVOLÍTÁSA FITOVOLATILIZÁCIÓVAL

1./ A Hg nem tápelem. A 20. században vált környezetszennyezéssé.  Az atmoszférába történő emisszió: szabad Hg(II) részecske-kötött Hg(II) fémhigany (Hg) formában Eredete: fosszilis tüzelőanyagok, orvosi és városi hulladék.  A talajba és felszíni vizekbe irányuló emisszió: mezőgazdasági csávázószerek, fungicidek amalgám, ipari hulladék a klóralkáli szintézisnél

2. Esettanulmány:  Minamata öböl, Japán Egy acetaldehidet gyártó üzem mellékterméke ülepedett ki ember meghalt tartósan sérült, remegés, központi idegrendszer degenerációja Ok: a Hg megjelent a táplálékláncban: halak  Brazília, Amazonas melletti aranybányászat amalgámszennyezése 130 tonna Hg került az Amazonasba évente.

3./ Higanytoxicitás Eltér a fém Hg, a Hg(II) és R-Hg + (metilmerkuri) esetén. a./ a fémhigany nem reakcióképes, - gyorsan diffundál a szervezetbe, de kis koncentrációban kevésbé veszélyes, mint a többi forma - akut hatás: tüdőelégtelenség. b./ Hg(II)- lassan diffundál a sejtekbe, az emésztőrendszerben is rosszul szívódik fel. - Vese és májproblémák. c./ Metil-merkuri: rendkívül veszélyes!! - gyorsan felszívódik, a keringési rendszeren keresztül szétterjed, - megváltoztatja a membránpermeabilitást, - kapcsolódik a fehérjék -SH csoportjaihoz, - az acetilkolin neurotranszmitter kibocsájtást gátolja.

A higany felvétele és transzlokációja a gyökerekben

Különböző higanyvegyületek akkumulációja fűzfában

4. A Hg biogeokémiája  a Hg(II) abiotikus és bakteriális redukciója Hg (0)- nyá  bakteriáis mer operon (Pseudomonas sp.) merR, merD a mer operon expresszióját reguláló fehérjét kódolja, merT és merP higany transzport proteineket, merB organomerkuri-liázt, merA NADP függő, FAD-tartalmú merkuri reduktázt kódol.

A mer operon szerkezete merA: NADP függő, FAD- tartalmú merkuri reduktázt kódol. merB: metilmerkuri liáz

5./ A Hg FITOREMEDIÁCIÓJA: - A növények természetesen is redukálják kissé a Hg(II)-t. - A Hg(II) nagy része a gyökérben marad. - Toxicitási tünetek: gátolt növekedés, klorózis, gátolt fotoszintézis, mitokondriális végoxidáció, vízfelvétel gátlása, ionpumpák és csatornák gátlása.

merA gént expresszáló transzgénikus dohány növények 100 és 500 ppm Hg(II)-n (WT: vad típus)

merA gént expresszáló cottonwood növények Hg(II) tartalmú talajon 1 héttel a kezelés után (WT: vad típus)

merB és merA gént együttesen expresszáló Arabidopsis növények 0.2-es, 1 és 2 ppm-es metilmerkurit tartalmazó oldatban (WT: vad típus)

 Transzgénikus növények: bakteriális MERB és MERA gének bevitele magasabbrendű növényekbe: Arabidopsis, Nicotiana, Liriodendron tulipifera  Irányított raktározás az elemi Hg-t learatható szervekben akkumulálják a növények: bakteriális merkuri transzport gének beépítése kompartmentáció a vakuólumban (metallotioneinek, szerves sav komplexek)  Vízi üledék tisztítása: Typha, Juncus, Spartina, Salix, nagy biomassza

Elemi higany a merA génnel transzformált Liriodendron növényekben (A. ábra) és az ugyancsak merA-val transzformált dohány növények tápoldatában (B. ábra) A. B.

A Se JELENTŐSÉGE A MAGASABBRENDŰ NÖVÉNYEKBEN. Se SZENNYEZŐDÉS ELTÁVOLÍTÁSA FITOVOLATILIZÁCIÓVAL

1./ A Se szerepe:  állatok, ember: mikroelem (0.05 mg/kg száraz élelem), karcinóma, AIDS ellen védő hatás  algákban mikroelem  magasabbrendű növényekben nem bizonyított magasabb koncentrációban toxikus Példa: Kesterson Reservoir, California  Szelén tartalmú alkalikus talaj, arid, szemiarid klíma  szelénfeldúsulás a víztározókban, csatornákban: halak, költöző madarak, emlősök mortalitása nő, fejlődési, szaporodási rendellenesség

2./ Kémiai tulajdonságai: kénhez hasonló szelenid (Se 2- ); Se (0); anaerob környezet, szelenit (SeO 3 2- ) (4+); szelenát (SeO 4 2- ) (6+), aerob környezet, neutrális, lúgos pH

3./ Se akkumuláló és nem akkumuláló növények a./ Hiperakkumulálók, Se tartalmú talajon élnek: több ezer mg Se/ kg száraztömeg Astragalus pectinatus, Astragalus bisulcatus, Morinda, Neptunia, Xylorhiza b./ Nem akkumulálók: Se tartalmú talajon nem akkumulálnak Atriplex nuttalii c./ Másodlagos Se akkumulálók: alacsony szeléntartalmú talajokon akkumulálnak 1000 mg/kg száraz tömeg koncentrációig Aster, Astragalus, Atriplex, Gutierrezia, Castilleja fajok

Astragalus racemosus

A Se akkumulációja és fitotoxikus hatása toleráns és érzékeny növényekben

4./ Se felvétel és hosszútávú transzport a./ A szelenát, szelenit és az organikus szelén felvétele  szelenát: aktív transzport  szulfát transzporterrel: - nagy affinitású (gyökér, PM), SHST1 gén - és kis affinitású rendszer (intercelluláris transzport, gyökér, hajtás), SHSTS3 gén  a transzporter expresszióját serkenti az O-acetilszerin gátolja a szulfát, GSH b./ a szelenit felvétel passzív, nem ismert transzporter fehérje c./ szerves származékok: szelenometionin (SeMet) aktív transzporttal A szelén akkumulálóknál a Se/S diszkriminációs koefficiens nagy.

A szelenát felvétele a növényekben: a szulfáttranszporter és működésének szabályozása

d./ Xilémtranszport:  a szelenit és SeMet főleg a gyökérben marad  a szelenát nagy része a hajtásba jut

5. A Se biokémiája a./ Miért esszenciális? Állatok: szelenoaminosavak: szelenocisztein (SeCys); SeMet Szelenoenzimek: GSH peroxidáz (GPX) formát dehidrogenáz, csak Se aminosavakkal aktívak Keletkezésük: - az UGA terminációs kodon SeCys kodonként funkcionál - SeCys-hordozó tRNS UGA-hoz tartozó antikodon párral kapcsolódik - specifikus másodlagos strukturális elemek az mRNS-ben - a Se beépülése tRNS ser formában Növényekben eddig nem találtak szelenoproteineket.

6./ A Se asszimilációja és volatilizációja a./ Az ATP szulfuriláz szerepe: aktiválás a kénasszimilációhoz hasonló, enzimek a kloroplasztiszban SEBESSÉGMEGHATÁROZÓ: ATP szulfuriláz termék: adenozin-foszfoszelenát b./ Redukció: GSH-konjugált szelenit (GS-szelenit) nem enzimatikusan: szelenodiglutationná enzimatikusan, GSH reduktázzal: GS-szelenollá, majd GS-szeleniddé (GS-Se) c./ aminosav- és proteinszintézis-SeCys, SeMet

A Se asszimilációja

A Se beépülése aminosavakba

7./ A Se volatilizációja a./ A SeMet metilálódik  Metil-SeMet b./ KULCSENZIM: Metilmetionin hidroláz: dimetilszelenid (DMSe)  illékony c./ Metil-SeMet dekarboxilálódik transzaminálódik aldehid dehidrogenáz reakció Termék: dimetilszelenopropionsav (DMSeP) KULCSENZIM: DMSeP liáz: DMSe d./ Egyéb sebességmeghatározó lépések: A SeMet KÉPZŐDÉSE DMSe ÉS DMSeP KÉPZŐDÉS

A Se volatilizációja

8./ Toxicitás és tolerancia a./ Toxicitás - Se-proteinek képződése a szenzitív növényekben b./ Tolerancia  a SeCys és SeMet intracelluláris elkülönítése a proteinszintézistől: nem proteinépítő aminosavak szintézise (Se-metil-SeCys; SeCystation)  a fehérjeszintézisnél + diszkrimináció a ciszteinil-tRNS-sel szemben  kompartmentáció a vakuólumban: szelenát, szelenoaminosavak

9./ A fitovolatilizációt befolyásoló tényezők a./ Fajok közötti eltérés  rizs, brokkoli, káposzta: µg Se m-2 levélfelület x nap-1  Azolla: 4.0 mg Se / kg száraz tömeg / nap  Salicornia: 420 m-2 talajfelület x nap-1 b./ Növény-mikróba kapcsolat steril körülmények között a volatilizáció csökken a baktériumok serkentik a Se felvételt, mert O-acetilszerint bocsájtanak ki a rhizoszférába

c./ Környezeti faktorok: Se koncentráció és forma a talajban Szulfát koncentráció a talajban Évszakos periódusok: erős tavasszal és koranyáron pH, hőmérséklet, baktériumflóra ESETTANULMÁNY: A kaliforniai Central Valley 75 cm- es földrétegének Se tartalmát 3 év alatt 50 %-kal csökkentették. CÉL: új hiperakkumulálók felfedezése transzgénikus növények: ATP szulfuriláz (indián mustár)

Az arzén a környezetben

1.Az arzenát rosszul felismert foszfát. 2.Megnövekedett redukció arzenitté, ami tio-peptid komplexekben csapdázódik. 3.A fitoremediációra alkalmas növények megemelkedett arzenát reduktáz aktivitással és fokozott glutamilcisztein szintézissel rendelkeznek.

As akkumuláló, transzgénikus növények 1.ArsC: a Rubisco, fényindukált promóteréhez kapcsolt arzenát reduktáz gén 2.ECS, γ-glutamil szintáz gén, a konstitutív expressziót biztosító aktin promóterhez kapcsolva (minden szervben megnyilvánul) 3.A két gént egy növényben expresszáltatják

Középen a kettős transzformáns Arabidopsis növények, a két szélen az egy génnel transzformáltak, arzanáton nőve

Pteris vittata L., egy arzén hiperakkumuláló növény Kínából

Az As fito(bio)volatilizációja Penicillium previcaulis