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, fungicidekamalgám, ipari hulladék a klóralkáli

szintézisnél

2. Esettanulmány: Minamata öböl, Japán

Egy acetaldehidet gyártó üzem mellékterméke ülepedett ki.

1000 ember meghalt5000-6000 tartósan sérült, remegés, központi idegrendszer degenerációja

Ok: a Hg megjelent a táplálékláncban: halak Brazília, Amazonas melletti aranybányászat amalgámszennyezése130 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 tulipiferaIrányított raktározás

az elemi Hg-t learatható szervekben akkumuláljáka növények:

bakteriális merkuri transzport gének beépítésekompartmentáció 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 toxikusPélda: 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 (Se2-); Se (0); anaerob környezet,

szelenit (SeO32-) (4+);

szelenát (SeO42-) (6+), aerob környezet,

neutrális, lúgos pH

3./ Se akkumuláló és nem akkumuláló növények a./ Hiperakkumulálók, Se tartalmú talajon élnek:

több ezer mg Se/ kg száraztömegAstragalus pectinatus, Astragalus bisulcatus, Morinda, Neptunia, Xylorhiza

b./ Nem akkumulálók: Se tartalmú talajon nemakkumulálnakAtriplex nuttalii

c./ Másodlagos Se akkumulálók: alacsony szeléntartalmú talajokon akkumulálnak 1000 mg/kg száraz tömeg koncentrációigAster, 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 transzportszulfát transzporterrel: - nagy affinitású (gyökér, PM), SHST1 gén- és kis affinitású rendszer (intercelluláris

transzport, gyökér, hajtás), SHSTS3 gén a transzporter expresszióját

serkenti az O-acetilszeringátolja 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 biokémiájaa./ Miért esszenciális?Állatok: szelenoaminosavak: szelenocisztein (SeCys); SeMetSzelenoenzimek: 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 tRNSser formában

Növényekben eddig nem találtak szelenoproteineket.

6./ A Se asszimilációja és volatilizációja

a./ Az ATP szulfuriláz szerepe: aktiválása kénasszimilációhoz hasonló,enzimek a kloroplasztiszbanSEBESSÉGMEGHATÁROZÓ: ATP szulfuriláztermék: adenozin-foszfoszelenát

b./ Redukció: GSH-konjugált szelenit (GS-szelenit)nem enzimatikusan: szelenodiglutationnáenzimatikusan, GSH reduktázzal:

GS-szelenollá, majdGS-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-SeMetb./ KULCSENZIM: Metilmetionin hidroláz:

dimetilszelenid (DMSe) illékonyc./ Metil-SeMet dekarboxilálódik

transzaminálódikaldehid dehidrogenáz reakcióTermék: dimetilszelenopropionsav (DMSeP)KULCSENZIM: DMSeP liáz: DMSe

d./ Egyéb sebességmeghatározó lépések:A SeMet KÉPZŐDÉSEDMSe 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:

200-350 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 talajbanSzulfát koncentráció a talajbanÉvszakos 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 felfedezésetranszgénikus 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