Metal effects in Fraxinus angustifolia and its endophytic communities

Abstract

A contaminação de solos com metais é um problema ecológico grave que requer medidas de resolução urgentes. As metodologias de remediação convencionais revelam-se muitas vezes ineficazes e muito dispendiosas. O processo de fitoremediação surge como uma alternativa promissora para a recuperação de solos, a aplicar de um modo económico e com maior potencial para recuperar os serviços do ecossistema. Os programas de fitoremediação para além de se debruçarem sobre a escolha da espécie vegetal mais adequada para o processo, devem igualmente debruçar-se sobre as comunidades microbianas associadas às raízes das plantas, nomeadamente as bactérias endofíticas e da rizosfera. No presente trabalho, é estudado o potencial da espécie Fraxinus angustifolia para a fitoremediação de solos contaminados com metais, recolhidos na área de exploração de uma mina de urânio abandonada, na Cunha Baixa, Mangualde, Portugal. A estratégia assumida consistiu na exposição das plantas ao solo contaminado, a um solo de referência e a um solo controlo, por um período de aproximadamente 3 meses. Com o fim de avaliar a capacidade de F. angustifolia de resistir ao solo contaminado, durante a exposição aos diferentes solos acompanhou-se o crescimento e o estado fisiológico das plantas medindo um conjunto de parâmetros bio- e fisiológicos (crescimento acima do solo, área foliar, conteúdo hídrico relativo, máxima eficiência e rendimento do fotosistema II e conteúdo foliar em clorofila a, clorofila b, carotenoides, prolina e malondialdeído) ao longo do período de exposição. Ademais, procedeu-se à análise genética dos perfis das comunidades bacterianas (endofíticas e rizosfera) associadas às raízes de F. angustifolia. Esta análise foi realizada através do método de PCR-DGGE, tendo como alvo uma região conservada 16S rDNA, antes e após a exposição aos diferentes solos. Apenas o parâmetro “crescimento acima do solo” se revelou, ao longo de toda a experiência, claramente indicativo do efeito negativo das propriedades do solo proveniente da mina nas plantas. Nos restantes parâmetros, foi observada uma resposta positiva das plantas expostas à contaminação, tendo demonstrado capacidade de manter o seu estado fisiológico ou, após oscilações, retomar ao estado normal. Comparativamente às comunidades bacterianas analisadas pré-tratamento, as alterações dos perfis das comunidades foram notáveis, principalmente aquelas referentes às plantas expostas ao solo contaminado. As comunidades referentes às plantas do solo controlo e referencia apresentaram maior similaridades entre si e entre a análise pré-tratamento. O estudo fisiológico demonstrou que, quando expostas ao solo contaminado, as plantas F. angustifolia apresentam capacidade de resistência e adaptativa às condições adversas, demonstrando potencial passível de ser explorado para fins de fitoremediação. Foi igualmente demonstrado que as alterações exercidas sobre as comunidades bacterianas das raízes expostas ao solo contaminado resultaram em perfis consideravelmente diferentes dos observados nas restantes comunidades. O desempenho das plantas pode estar intrinsecamente relacionado com estas alterações microbianas.

The contamination of soils with metals is a serious ecological problem requiring urgent measures to counteract the impacts. The conventional remediation techniques are, most of the times, inefficient and expensive. Phytoremediation comes as a promising alternative for the cleaning of the soils, to be applied in a more economic and eco-friendly manner, with a great potential for recovering ecosystem services. Besides looking for the best suitable plant species for the task, phytoremediation programs should also focus in the microbial communities associated with the roots of the plants, namely endophytic and rhizosphere bacteria. In this work, it was studied the potential of the species Fraxinus angustifolia for the phytoremediation of metal contaminated soils, collected in the Cunha Baixa uranium mine area (Mangualde, Centre of Portugal). The planned strategy consisted of the exposure of the plants to the contaminated soil, a reference soil and a control soil, for a period of about 3 months. In order to access the ability of F. angustifolia to tolerate the contaminated soil, growth and physiological performance of plants, a set of bio- physiologic parameters (above ground growth, leaf area, relative water content, maximum efficiency and quantum yield of photosystem II and leaf chlorophyll a and b, carotenoid, proline, malondialdehyde contents) were measured during the test. Furthermore, the analysis of the genetic profiles of the bacterial communities (endophytic and rhizosphere) associated with the roots of F. angustifolia was also performed. This analysis was carried out through the PCR-DGGE technique, targeted for a conserved region of 16S rDNA, pre- and post-treatment. Only the “above ground growth” parameter clearly showed to be, throughout the course of the experiment, an indicator of the negative effects of the properties of the mine soil on the plants. Concerning the remaining parameters, a good response of the exposed plants was observed, which showed the ability to maintain their physiologic status or, after some variation, return to a normal state. In comparison with the bacterial communities profiles analyzed pre-treatment, the alterations of the profiles were notable, principally those corresponding to the contaminated soil. The communities related to the plants from the control and reference soils showed more similarity between each other and the pre-treatment analysis. This physiologic study demonstrated that, when exposed to the contaminated soil, F. angustifolia plants had the ability to resist and adapt to the adverse conditions, revealing a potential which can be exploited for phytoremediation. It was also possible to demonstrate that the changes exerted on the bacterial communities from the roots exposed to the contaminated soil resulted in profile considerably different from those observed on the remaining communities. The performance of the plants might be related to these microbial alterations.