Frontiers in Plant Science

L’industria umana, l’agricoltura e le pratiche di smaltimento dei rifiuti hanno portato alla contaminazione su larga scala di suolo e acqua con composti organici e metalli pesanti, con effetti dannosi sugli ecosistemi e sulla salute umana. I metodi convenzionali di bonifica del suolo sono costosi e spesso comportano lo stoccaggio del suolo in aree designate, posticipando piuttosto che risolvere il problema. Nell’ultimo decennio, la pressante necessità di trovare metodi alternativi ha evidenziato i benefici scientifici ed economici delle piante e dei loro microrganismi associati, che possono essere utilizzati per la bonifica di suolo e acqua inquinati (Meagher, 2000). Questo è un approccio elegante e a basso costo per la decontaminazione dei siti inquinati ed è stato accolto con un alto grado di accettazione da parte del pubblico, spingendo quindi la ricerca sull’uso della tecnologia di fitoremediazione per affrontare le grandi aree di terra e acqua attualmente colpite (recensito da Krämer, 2005; Vangronsveld et al., 2009; Lee, 2013). Questo argomento di ricerca Frontiers in Plant Science fornisce un’istantanea della ricerca attuale sull’applicazione delle strategie di fitoremediazione ambientale.

Molti scienziati stanno attualmente studiando il fenomeno dell’iperaccumulo metallico in diverse specie, con l’obiettivo di determinare i meccanismi associati all’accumulo e alla disintossicazione dei metalli pesanti e, infine, di utilizzare queste piante e i loro microrganismi derivati dalla rizosfera per la decontaminazione dei siti inquinati. Un esperimento in serra con Pteris vittata con o senza ceppi batterici selezionati da microrganismi autoctoni derivati dalla rizosfera ha dimostrato che l’efficienza della fitoestrazione è aumentata quando le piante di P. vittata sono state inoculate con le comunità microbiche selezionate (Lampis et al., 2015). Una dettagliata analisi comparativa delle endofita batteri e funghi di selenio (Se) hyperaccumulator specie Stanleya pinnata (Brassicaceae) e l’Astragalo bisulcatus (Fabaceae), e le relative non-accumulatori Physaria bellis (Brassicaceae) e Medicago sativa (Fabaceae), ha rivelato che la isola da Se hyperaccumulator specie più resistenti a seleniato e selenite, potrebbe ridurre la selenite elementare Se, potrebbe ridurre i nitriti e produrre siderofori, e diversi ceppi, inoltre, ha mostrato la capacità di promuovere la crescita della pianta (Jong et al., 2015). Microrganismi con elevata tolleranza Se e la capacità di produrre Se elementare sarebbero utili per il trattamento delle acque reflue e / o la produzione di nanoparticelle Se (Staicu et al., 2015).

L’uso dell’analisi omica e della microscopia avanzata per studiare l’interazione tra gli iperaccumulatori metallici e il rizobioma batterico è considerato in un articolo di recensione di Visioli et al. (2015). Ciò sottolinea le tecniche emergenti per l’analisi delle comunità microbiche in terreni inquinati che aiutano a determinare l’impatto dell’inquinamento su quelle comunità (Berg et al., 2012). Evidenzia inoltre i vantaggi dell’analisi in situ per monitorare la colonizzazione delle piante e la sopravvivenza degli inoculi microbici in condizioni reali, in particolare l’uso della microscopia elettronica a scansione ambientale, un potente approccio per l’analisi in situ di campioni biologici senza preparazione del campione (Stabentheiner et al., 2010; Visioli et al., 2014).

Il potenziale di fitodepurazione delle piante inoculate con batteri isolati dalla rizosfera e dall’endosfera di altre piante coltivate in terreni contaminati da metalli pesanti è discusso in due articoli (Khan et al., 2015; Ma et al., 2015). La specie arborea Prosopis juliflora, originaria del Sud America, era precedentemente considerata una specie bioindicatrice per siti inquinati (Senthilkumar et al., 2005) ed è stato dimostrato di tollerare alte concentrazioni di metalli pesanti e quindi può essere utile nella bonifica del suolo (Varun et al., 2011). Diversi ceppi batterici con resistenza al cromo (Cr), isolati dalla rizosfera e dall’endosfera delle piante di P. juliflora coltivate su terreni contaminati da effluenti di conceria, hanno anche mostrato tolleranza verso altri metalli pesanti come Cd, Cu, Pb e Zn. L’inoculazione di loglio (Lolium perenne L.) con tre di questi isolati promosso la crescita delle piante e la rimozione di metalli tossici dal suolo inquinato, dimostrando che l’interazione tra piante e batteri, ceppi identificati in aree contaminate potrebbe migliorare la crescita delle piante e l’efficienza di fitodepurazione (Khan et al., 2015). Allo stesso modo, le piante di Brassica juncea e Ricinus communis inoculate con batteri rizosferici ed endofitici isolati da un ambiente serpentino inquinato hanno accumulato più biomassa e metalli pesanti rispetto alle piante di controllo non inoculate (Ma et al., 2015). Questi effetti sono stati chiaramente attribuiti alla produzione di metaboliti batterici che hanno promosso la crescita delle piante e la mobilizzazione dei metalli. Tuttavia, il basso fattore di traslocazione del metallo ottenuto dopo l’inoculazione ha indicato che i batteri serpentini resistenti ai metalli sono adatti per la fitostabilizzazione del suolo contaminato(Ma et al., 2015).

L’interazione benefica tra piante e rhizobia per la bonifica del suolo contaminato è discussa da Teng et al. (2015). Alcune relazioni simbiotiche tra legumi e batteri azotofissatori sono resistenti ai metalli pesanti, favorendo la dissipazione di inquinanti organici e migliorando la loro rimozione (Fan et al., 2008; Glick, 2010; Li et al., 2013). Rhizobia non solo fissa l’azoto ma promuove anche la crescita delle piante, aumentando così la biomassa vegetale, la fertilità del suolo, la biodisponibilità, l’assorbimento e la traslocazione di inquinanti, la degradazione di contaminanti organici e la fitostabilizzazione dei metalli. Tutte queste caratteristiche rendono rhizobia preziosi strumenti di phytoremediation. La rizobia endofitica degrada i contaminanti organici che si sono accumulati nei noduli, riducendo così la fitovolatilazione e facilitando la fitoremediazione in ambienti inquinati (Teng et al., 2015).

Due ulteriori articoli discutono l’uso delle piante e dei loro microrganismi associati per la bonifica di terreni inquinati da contaminanti organici (Germaine et al., 2015; Sauvêtre e Schröder, 2015). Nel primo progetto (Sauvêtre e Schröder, 2015), le piante di Phragmites australis sono state esposte alla carbamazepina, un farmaco ampiamente utilizzato che è presente nell’ambiente come contaminante persistente e recalcitrante (Ternes et al., 2007; Huerta-Fontela et al., 2011). Dopo 9 giorni, le piante hanno ridotto la concentrazione iniziale del farmaco del 90% e la caratterizzazione dei batteri endofiti ha rivelato che tutti gli isolati possedevano almeno un tratto che promuove la crescita delle piante. Molti avevano la capacità di rimuovere la carbamazepina dal suolo, mentre altri producevano siderofori e erano in grado di solubilizzare il fosfato, suggerendo che sarebbero stati utili nei programmi di fitoremediazione. Il secondo articolo affronta l’efficacia di un sistema combinato di fitorimediazione/biopiling su larga scala, denominato ecopiling, per la rimozione di idrocarburi dal suolo interessato da contaminazione industriale (Germaine et al., 2015). Le comunità batteriche capaci di degradazione totale dell’idrocarburo di petrolio (TPH) sono state usate per inoculare il suolo contaminato con i fertilizzanti chimici. L’erba di segale perenne e il trifoglio bianco sono stati poi seminati per completare l’ecopile. Durante uno studio di 2 anni, è stata riscontrata una consistente riduzione del livello di TPH, suggerendo che questo approccio multifattoriale che comporta biostimolazione, bio-aumento e fitoremediazione è adatto per i terreni di bonifica contaminati da idrocarburi industriali.

È notevole che tutti gli articoli presentati in questo argomento di ricerca si sono concentrati sull’uso di specie iperaccumulatrici naturali piuttosto che di piante e/o microrganismi transgenici, sebbene piante e microbi geneticamente modificati possano essere utilizzati anche per il trattamento efficiente del suolo e dell’acqua inquinati (Van Aben, 2009; Singh et al., 2011). Ciò mette in evidenza gli approcci diversi e promettenti che vengono sviluppati dalla comunità di ricerca di fitoremediazione ambientale.

Dichiarazione sul conflitto di interessi

Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.