Ağır metaller ve fitoremediasyon: Fizyolojik ve moleküler mekanizmalar

Abstract

Ağır metal kirliliği, tarım ve insan sağlığı üzerinde olumsuz potansiyel etkisi olan önemli bir çevre sorunudur. Toksik elementlerin uzaklaştırılması ve parçalanması için fiziksel remediasyon teknolojileri kullanılmaktadır. Bununla birlikte, çevreyi tahrip edici fiziksel remediasyon yöntemlerine alternatif olarak fitoremediasyon tekniği görülmektedir. Ağır metallerin uzaklaştırılması için bitkilerin kullanıldığı fitoremediasyon tekniği etkin, çevre dostu ve ucuz bir metottur. Bazı bitkiler ağır metal detoksifikasyonu ile ilişkili potansiyel mekanizmalara sahip olup; metal stresi altında canlılıklarını sürdürebilmektedir. Metal hiperakümülatörü bitkiler, gövde dokularında oldukça yüksek konsantrasyonlarda metal iyonlarını biriktirmekte ve detoksifiye edebilmektedir. Ağır metal toksisitesine karşı yüksek tolerans, bir genotip ile çevresi arasındaki etkileşime bağlı olarak metal alınımındaki azalma ve içsel alıkonmadaki artışa bağlı olarak gerçekleşmektedir. Moleküler genetik teknolojileri bitkilerde ağır metal toleransı ve birikimi ile ilgili mekanizmaların daha iyi anlaşılmasına neden olmuştur. Metal alınımı, taşınımı ve içsel alıkonma ile ilgili olarak bitkilerin modifiye edilmesi için genetik mühendisliğinin kullanımı fitoremediasyon etkinliğinin arttırılması için yeni yollar açabilmektedir. Metal şelatlayıcıları, metal taşıyıcıları, metallotiyonein ve fitoşelatin genleri metal alınımı ve içsel alıkonma kapasitesinin arttırılması için bitkilere transfer edilmektedir. Hiperakümülatör bitkilerde ağır metal alınımı, taşınımı ve alıkonma mekanizmalarının daha iyi anlaşılması, üstün fitoremediasyon özelliklerine sahip yeni transjenik bitkilerin geliştirilmesine yol açmaktadır. Bu derlemede, üstün fitoremediasyon yeteneğine sahip bitkilerin geliştirilmesinde rol oynayan fizyolojik ve moleküler mekanizmalar tartışılmıştır.

Heavy metal pollution is a significant environmental problem with a negative potential impact on agriculture and human health. The physical remediation technologies have been in use to remove and destroy toxic elements. However, phytoremediation is widely viewed as the alternative to the environmentally destructive physical remediation methods. Phytoremediation, the use of plants to remove heavy metals, is an effective, environmentally friendship and cheap method. Some plants possess a range of potential mechanisms that may be involved in the detoxification of heavy metals, and they manage to survive under metal stress. Metal hyperaccumulator plants can accumulate and detoxify extraordinarily high concentrations of metal ions in their shoots. High tolerance to heavy metal toxicity could rely either on reduced uptake or increased plant internal sequestration, which is manifested by an interaction between a genotype and its environment. The molecular genetic technologies have led to an increased understanding of mechanisms of heavy metal tolerance/accumulation in plants. The use of genetic engineering to modify plants for metal uptake, transport and sequestration may open up new avenues for enhancing efficiency of phytoremediation. Metal chelators, metal transporters, metallothionein and phytochelatin genes have been transferred to plants for improved capacity of metal uptake and sequestration. A better understanding of the mechanisms of uptake, transport and sequestration of metals in hyperaccumulator plants will lead to designing novel transgenic plants with superior phytoremediation traits. In this review, the molecular and physiological mechanisms involved in the improving plant with superior phytoremediation capability are discussed.