Mecanismos de resposta a mercúrio em plantas de sapal

Abstract

Os sapais encontram-se entre os ecossistemas mais produtivos do mundo, suportando um número elevado de espécies vegetais e animais. O mercúrio é considerado um dos metais mais tóxicos, em que os seus efeitos adversos têm repercussões ao longo da cadeia alimentar de todo o ecossistema. A recuperação do mercúrio de lamas e esgotos industriais é obrigatória por lei, contudo, a descontaminação de zonas estuarinas e cursos de água que já se encontram poluídos tem sido negligenciada, dado que as técnicas correntes de remediação de mercúrio utilizam processos físico-químicos, dispendiosos, perturbadores do ambiente e frequentemente ineficazes. Um sistema de fitorremediação, em que as plantas extraem, sequestram ou desintoxicam o mercúrio dos sedimentos de sistemas aquáticos poderá ser uma solução mais atraente. No entanto, esta técnica encontra-se ainda numa fase inicial de desenvolvimento, sendo necessária uma maior investigação sobre os mecanismos moleculares subjacentes à acumulação de metais de modo a optimizar os processos inerentes a esta técnica de remediação. Neste contexto, o presente trabalho incidiu sobre o estudo do papel que as espécies vegetais A. patula, H. portulacoides, J. maritimus e P. australis possuem na descontaminação de uma área específica do sapal da Ria de Aveiro, o Esteiro de Estarreja, sujeito a uma elevada contaminação por mercúrio. Os principais objectivos deste trabalho incluíram, numa primeira fase, a análise dos níveis de contaminação dos rizosedimentos das várias espécies de plantas bem como da sua caracterização físico-química, o que permitiu avaliar os níveis de toxicidade experimentados pelas espécies. A análise da acumulação e distribuição de Hg nos diferentes órgãos das várias espécies vegetais, bem como a quantificação da biomassa aérea permitiram determinar o potencial de fitorremediação de cada uma das espécies da comunidade do Esteiro de Estarreja. O trabalho apresentado engloba também a análise de mecanismos moleculares responsáveis pela tolerância a Hg nestas espécies, com particular incidência nos seus efeitos a nível oxidativo através da quantificação de espécies reactivas de oxigénio e de danos oxidativos e na subsequente resposta antioxidante através da quantificação de defesas antioxidantes enzimáticas. A quantificação dos níveis de tióis (glutationa e fitoquelatinas), conhecidos mecanismos na sequestração intracelular de metais em plantas, foi igualmente determinada, tendo sido avaliado o seu contributo na tolerância a Hg nestas espécies. Os resultados obtidos demonstraram que as diferentes espécies apresentaram diferenças importantes na acumulação e distribuição de Hg. As espécies dicotiledóneas A. patula e H. portulacoides apresentaram níveis semelhantes de Hg nos seus órgãos e as espécies monocotiledóneas J. maritimus e P. australis acumularam mais metal nos seus órgãos subterrâneos. Foi igualmente determinada a distribuição de Hg nas diferentes fracções celulares, uma vez que a partição metálica é fundamental para inferir o grau de toxicidade que as plantas experienciam e a mobilidade de Hg no sapal. Embora se tenham verificado diferenças importantes na acumulação e distribuição de Hg entre as várias espécies estudadas, a estratégia geral que adoptaram para lidar com exposições ambientais de Hg foi a imobilização do metal na fracção insolúvel, o que sugere que esta estratégia é o principal mecanismo de tolerância a Hg nestas espécies. A acumulação e distribuição de Hg, em conjunto com o trabalho subsequente, determinaram a capacidade de fitorremediação das espécies estudadas. Assim, J. maritimus e P. australis apresentaram-se como as melhores candidatas para processos de fitoestabilização e todas as espécies, com excepção de A. patula, apresentam capacidades semelhantes de fitoextracção. A avaliação de parâmetros relacionados com o stresse oxidativo permitiu inferir os níveis de stresse em que cada planta se encontrava. Observou-se que todas as espécies apresentaram sintomas de stresse oxidativo associados à acumulação de Hg. Contudo, A. patula foi a espécie que apresentou níveis mais elevados de stresse oxidativo, ao contrário de J. maritimus e P. australis que se apresentaram com menos danos oxidativos. Estas diferenças entre as espécies deveram-se, possivelmente, à acção das enzimas antioxidantes. As dicotiledóneas apresentaram níveis mais baixos de todas as enzimas nas folhas, enquanto que as monocotiledóneas apresentaram níveis mais elevados de SOD e GPx, particularmente nos órgãos subterrãneos. A determinação de tióis (glutationa e fitoquelatinas) permitiu estimar a sua importância na tolerância ao mercúrio. Os resultados obtidos trouxeram novos dados sobre o papel das fitoquelatinas em exposições ambientais a Hg. Observou-se que em todas as espécies houve síntese de fitoquelatinas, tendo-se observado diferenças entre elas. Nas dicotiledóneas e nos órgãos aéreos das monocotiledóneas a síntese de PCs foi, de facto, a principal resposta à presença de Hg. Contudo, e contrariamente ao que se observa na maioria dos trabalhos de laboratório, nas espécies monocotiledóneas, o órgão com maior acumulação de mercúrio foi aquele que apresentou menor conteúdo em fitoquelatinas, sugerindo que a síntese destes agentes quelantes não parece ser o principal mecanismo de tolerância a mercúrio, podendo entrar em acção outros mecanismos de tolerância complementares. Os resultados obtidos neste trabalho permitiram uma melhor compreensão sobre as estratégias que estas plantas de sapal utilizaram para lidar com uma elevada e crónica contaminação ambiental por Hg, mas também criaram novas perspectivas sobre os seus mecanismos e respostas moleculares à presença deste metal no ambiente. Assim, este trabalho poderá ser o ponto de partida para o desenvolvimento de competências com capacidade de intervenção na fitorremediação de áreas de sapal contaminadas, bem como para estudos de gestão ambiental e do impacto da contaminação por metais em ecossistemas estuarinos.

ABSTRACT: Salt marshes rank among the most productive ecosystems on earth. Among heavy metals, mercury is considered one of the most toxic metals and its effects have repercussions throughout the food chain of the entire ecosystem. The recovery of mercury from industrial sludge and liquid wastes is now required by governments, but the cleanup of previously polluted estuarine areas and waterways has been neglected. This is due partly to the fact that the physical and chemical remediation techniques currently used to extract or immobilize mercury are extremely expensive, environmentally disruptive and sometimes ineffective. A phytoremediation system, in which plants extract, sequester and/or detoxify mercury pollutants, may be a more attractive solution. However, this technique is still in a developmental stage and requires further research on the molecular mechanisms underlying the accumulation of metals in order to optimize the processes inherent to this remediation technique. Under this context, the present work focused on the study of the role that the salt marsh species A. patula, H. portulacoides, J. maritimus and P. australis have on the decontamination of a specific salt marsh area of the Ria de Aveiro, the Estarreja Channel, subject to a high mercury contamination. Thus, the main objectives of this work included, first, the analysis of the contamination levels in the species rhizosediments and their physic-chemical characterization, which allowed inferring the toxicity levels experienced by organisms colonizing these sediments ad their role in metal availability. The accumulation and distribution of Hg in the several plants as well as the aerial biomass quantification determined the phytoremediation potential of each species colonizing the Estarreja channel. The work presented also includes the analysis of molecular mechanisms responsible for plant Hg tolerance, with particular focus on the oxidative stress effects, through the quantification of reactive oxygen species and oxidative damage and on the subsequent antioxidant response through the quantification of enzymatic antioxidant defences. The levels of thiols (glutathione and phytochelatins), known mechanisms in intracellular sequestration of metals in plants, was also determined and its contribution to the Hg tolerance in these species was assessed. The results showed that the several species presented significant differences in Hg accumulation and distribution. The dicotyledons A. patula and H. portulacoides revealed similar Hg levels in all their organs and monocotyledonous J. maritimus and P. australis accumulated more metal in their belowground organs. It was also determined the distribution of Hg in different cell fractions, since the metal partition is essential to infer the degree of toxicity that plants experience and to assess the Hg mobility in the salt marsh system. Although there were important differences in the accumulation and distribution of Hg between the studied species, the overall strategy they have adopted to deal with Hg environmental exposure was the metal immobilization in cell walls, suggesting that this strategy is the main Hg tolerance mechanism in these species. The Hg accumulation and distribution, together with the subsequent work, determined the phytoremediation capacity of these species. Thus, J. maritimus and P. australis presented itself as the best candidates for Hg phytostabilization and with A. patula exception, all species presented similar phytoextraction capabilities. The evaluation of parameters related to oxidative stress allowed to infer the levels of stress that each plant experienced. It was observed that all species showed oxidative stress symptoms associated with Hg accumulation. However, A. patula was the species with higher oxidative stress levels, unlike J. maritimus and P. australis that had less oxidative damage. These differences between species are due to the action of antioxidant enzymes. The dicotyledons showed lower levels of enzyme activities in the leaves, while the monocots had higher levels of SOD and GPx, particularly in the belowground organs. The thiol quantification (glutathione and phytochelatins) allowed to estimate its importance in the plants Hg tolerance. The results have brought new data on the role of phytochelatin in Hg environmental exposures. It was noticed that PC synthesis occurred in all species, however important differences were observed between them. In dicotyledons and in aerial organs of monocots the synthesis of PCs was, in fact, the main response to the Hg accumulation. However, in opposition to most laboratory works, in the monocots, the organs with higher Hg accumulation were the ones that showed a lower phytochelatin content, suggesting that the synthesis of these chelating agents is not the main mechanism behind Hg tolerance, and that other complementary tolerance mechanisms may come to action. The results obtained in this work provided a better understanding of the strategies used by salt marsh plants to cope with a strong and chronic environmental Hg contamination, but also created new perspectives on their molecular mechanisms and responses to the presence of metal in the environment. Thus, this work may be the starting point for the development of skills with intervention capacity in the phytoremediation of salt marsh contaminated areas as well as for environmental management studies and impact of metal disposal in estuarine ecosystems.