Introducción

El lirio acuático (Eichhornia crassipes) es una especie tropical flotante originaria de Brasil y, posiblemente, de algunos países centroamericanos. Presenta un crecimiento rápido y se ha reportado su distribución en varias partes del mundo, principalmente entre los 40° de latitud norte y sur, incluyendo Sudáfrica y algunos países como India y Estados Unidos (^{Center, 1994}; ^{Hellmann, Byers, Bierwagen, & Dukes, 2008}). En su hábitat natural, el lirio acuático juega un rol de gran importancia debido a que provee refugio y zonas de alimentación a los peces, fitoplancton y zooplacton (^{Villamagna & Murphy, 2010}), además, posee características con potencial biotecnológico. Sin embargo, en grandes cantidades, esta especie presenta efectos negativos para el ambiente, la salud humana y la economía, ya que afecta directamente la vida acuática de los cuerpos de agua dulce (^{Epstein, 1998}) y no existe un control biológico que evite su proliferación desmedida (^{Humphrey & Dube, 2018}).

Esta planta es capaz de desarrollarse en aguas con alto contenido de nutrientes, ya que tolera grandes variaciones de nutrientes, pH y temperatura (entre 1 y 40 °C); aunque su pH óptimo es entre 6 y 8 (^{Wilson, Holst, & Rees, 2005}). La velocidad de crecimiento del lirio acuático incrementa cuando hay niveles altos de nitrógeno disuelto en el agua (^{Heard & Winterton, 2000}), y se ha observado que niveles de salinidad de 6 a 8 % resultan letales para la planta (^{Olivares & Colonnello, 2000}).

Uno de los principales problemas que genera el lirio acuático es que, debido a su alta velocidad de crecimiento, cubre rápidamente las superficies de los cuerpos de agua, lo que evita el paso de la luz y, por consiguiente, bloquea los procesos fotosintéticos de la flora acuática, reduciendo el oxígeno disuelto en el agua. Además, se ha descrito su papel antagónico en el crecimiento de otros organismos acuáticos, lo cual reduce la diversidad biológica (^{Brendonck et al., 2003}). Esta especie es capaz de duplicar su población en solo cinco días, y se han llegado a contabilizar hasta dos millones de plantas por hectárea, con un peso de 200 a 400 t, por lo que además genera graves problemas de navegación, recreación, irrigación y generación de electricidad (^{Epstein, 1998}).

Para el control del lirio acuático, se han desarrollado modelos matemáticos de crecimiento, y se ha observado que en condiciones controladas su crecimiento sigue un comportamiento logístico (^{Wilson et al., 2005}); no obstante, esto no ha sido suficiente para evitar todos los problemas que causa en zonas donde se le considera como especie invasiva. Actualmente se utilizan métodos químicos (herbicidas), agentes de control biológico y remoción física para controlar su crecimiento (^{Harley, Julien, & Wright, 1996}). Es un hecho que un solo método es poco eficiente, por lo que se hace necesario el uso simultáneo de varias técnicas de eliminación (^{Gutiérrez, Ruiz, Uribe, & Martínez, 2000}); de aquí la importancia de generar alternativas de procesamiento.

El lirio acuático contiene entre 92.8 y 95 % de agua, de 4.2 a 6.1 % de compuestos volátiles, de 18.2 a 19 % de celulosa, de 48.7 a 50 % de hemicelulosa, de 3.5 a 3.8 % de lignina y de 13 a 13.5 % de proteína cruda (^{Nigam, 2002}), por lo que puede ser utilizado en una amplia variedad de procesos (^{Malik, 2007}); sin embargo, es importante considerar que estas concentraciones pueden variar en función de la zona geográfica y las condiciones climáticas (^{Boyd & Vickers, 1971}).

Los usos más comunes del lirio acuático son la producción de etanol (^{Aswathy et al., 2010}; ^{Guragain, Coninck, Husson, Durand, & Rakshit, 2011}; ^{Nigam, 2002}), la producción de enzimas fúngicas (^{Deshpande, Nair, & Khedkar, 2009}; ^{Pramanik, 2010}; ^{Wang, Liu, Ning, Liao, & Jia, 2017}), la remoción de metales pesados en agua (^{Mahamadi & Nharingo, 2010}; ^{Mishra & Tripathi, 2009}; ^{Muramoto & Oki, 1983}; ^{Saraswat & Rai, 2010}), la fitorremediación (^{Jayaweera & Kasturiarachchi, 2004}), la producción de biogás (^{Kivaisi & Mtila, 1997}) y como fertilizante orgánico (^{Khaket, Singh, Dhanda, Singh, & Singh, 2012}).

Diversos investigadores han analizado los componentes del lirio acuático de diferentes zonas geográficas. ^{Lara-Serrano et al. (2016)} estudiaron muestras de dos zonas geográficas de México (Durango y Guanajuato), y encontraron diferencias en cenizas, holocelulosa y extraíbles totales, mientras que ^{Lakshminarayana, Rao, Pantulu, y Thyagarajan (1984)} observaron diferencias en la composición de lípidos en raíces, tallos, hojas y flores. Por ello, para generar estrategias de aprovechamiento de esta especie, es fundamental conocer la influencia que tiene la zona geográfica y las partes de la planta sobre su composición. En este sentido, el objetivo del presente trabajo fue evaluar el efecto de la zona de colecta y la sección de la planta de Eichhornia crassipes sobre su composición química en cuatro zonas geográficas de México (Ciudad de México, Hidalgo, Jalisco y Tabasco), con el fin de determinar la presencia de los principales componentes de esta especie para posibles aplicaciones biotecnológicas.

Materiales y métodos

Preparación de las muestras

Se tomaron 50 especímenes por zona de colecta, dentro de los cuales había plantas maduras, medianas y jóvenes; esto se hizo en la misma época del año para que el efecto de la edad de la planta sobre la composición química fuera mínima. Las plantas se lavaron con agua fría, se seccionaron y se clasificaron: hoja chica (HC) y tallo chico (TC), hoja mediana (HM) y tallo mediano (TM), hoja grande (HG) y tallo grande (TG), para las partes superior, media e inferior de la planta, respectivamente (Figura 1). Las muestras se secaron a 60 °C durante 36 h con un horno de convección (DHG-9000J, MTI Corporation, EUA), posteriormente se molieron, se cribaron en una malla 40 (0.425 mm), se colocaron en bolsas oscuras y se almacenaron en un lugar fresco y seco para su análisis.

Figura 1 Fracciones de la planta de lirio acuático. HC = hoja chica; TC = tallo chico; HM = hoja mediana; TM = tallo mediano; HG = hoja grande; TG = tallo grande. 

Resultados y discusión

Para identificar diferencias significativas entre las fracciones, se realizó un análisis estadístico multivariado (Cuadro 1), el cual indicó que tanto las fracciones (hojas y tallos) como las zonas de colecta (los cuatro estados de México) presentaron un efecto significativo sobre las variables evaluadas. Mientras que en los resultados del análisis de DMS, se observa que el porcentaje de cenizas, extraíbles en solvente y en agua (Figura 2) presentaron una mayor diferencia estadística (α ≤ 0.05) en las muestras provenientes de Jalisco.

Figura 2 Gráficas del análisis de diferencia mínima significativa (DMS) de las muestras de lirio acuático. HC = hoja chica; TC = tallo chico; HM = hoja mediana; TM = tallo mediano; HG = hoja grande; TG = tallo grande. 

En cuanto a la composición se observaron grandes diferencias, tanto en las fracciones analizadas como en la zona de colecta, siendo el contenido de holocelulosa (celulosa + hemicelulosa) el que tuvo menor variación (Figura 3C). En cuando al contenido de cenizas, las muestras provenientes de la Ciudad de México, Hidalgo y Tabasco presentaron, en promedio, 16.16, 17.56 y 19.8 %, respectivamente (Figura 3), y no mostraron diferencias estadísticas significativas entre sí (Figura 2). Las muestras que tuvieron la menor concentración fueron las procedentes de Jalisco, y las de Tabasco fueron las mayores (Figura 3A). ^{Gao, Chen, Yuan, Huang, y Yan (2013)} reportan un contenido de cenizas de 45 % y ^{Ma et al. (2010)} de 2.8 %, ambos de lirio colectado en China, pero de diferentes zonas, lo que podría evidenciar el efecto de la zona geográfica sobre la composición química de la planta.

Figura 3 Concentración de los principales componentes del lirio acuático. HC = hoja chica; TC = tallo chico; HM = hoja mediana; TM = tallo mediano; HG = hoja grande; TG = tallo grande. 

^{Atehortua y Gartner (2013)} mencionan que es posible que el incremento en el contenido de cenizas se deba a una mayor adsorción de metales presente en el agua, los cuales permanecen estables durante la calcinación; en este sentido, dicho incremento podría ser un indicativo de contaminación de los cuerpos acuíferos del lugar de colecta del lirio. ^{Lara-Serrano et al. (2016)} encontraron grandes diferencias en el contenido de cenizas de lirio acuático de dos zonas geográficas de México (Durango y Guanajuato), siendo mayor en las muestras de Durango (26 %) que en las de Guanajuato (14.6 %), debido, probablemente, a las diferentes concentraciones de elementos como silicio, magnesio, cloruros, potasio, calcio y hierro. En general, en la Figura 3A se observa que el tallo presenta mayor cantidad de cenizas, esto debido a que funciona como un sistema vascular que permite el flujo de nutrientes hacia las hojas y viceversa; además, es probable que los metales presentes en el agua sean absorbidos con mayor facilidad por este sistema.

Por otro lado, el mayor porcentaje de lignina se observó en las muestras colectadas en el estado de Hidalgo, en promedio 8 % (Figura 3B), y en todas las zonas de colecta el mayor porcentaje lo presentaron las hojas. Esto coincide con ^{Balasubramanian, Arunachalam, Da, y Arunachalam (2012)}, quienes encontraron mayor contenido de lignina en hojas que en raíces de lirio acuático colectado en tres zonas geográficas de la India. La lignina juega un papel de suma importancia, ya que además de proteger a la planta contra el ataque de diversos organismos, forma parte de los sistemas vasculares y de soporte de la planta; por ello, al ser el lirio una planta de superficie donde las hojas son las responsables de su flotabilidad, es de suponerse que la lignina se presente en mayor cantidad en esta parte de la planta.

^{Neiff, Casco, y de Neiff (2008)} determinaron que la cantidad de lignina en E. crassipes está en función de los niveles de agua de los lagos donde crece, y que periodos largos de confinamiento de la planta provocan incremento en la concentración de lignina. Es probable que en el estado de Hidalgo se tenga poco intercambio de agua y con bajos niveles, lo que explicaría, en parte, los altos porcentajes de lignina encontrados en el lirio colectado en este estado. Por su parte, el lirio proveniente de Jalisco y de la Ciudad de México presentaron las menores concentraciones de lignina, en promedio 4.6 y 4.7 %, respectivamente (Figura 3); valores muy similares a los descritos por ^{Nigam (2002)}, y ^{Sornvoraweat y Kongkiattikajorn (2010)}, y por debajo de los reportados por ^{Gao et al. (2013)} (17 % de lignina en lirio del río Liuxi, en China) y ^{Ma et al. (2010)} (29.3 % de lignina en lirio colectado en China).

En general, la mayor cantidad de extraíbles en solventes se presentó en los tallos de todas las muestras (Figura 3D); en donde las muestras de Jalisco presentaron la mayor diferencia estadística significativa (Figura 2). Los resultados obtenidos concuerdan con lo descrito por ^{Silva, de Melo, Silvestre, y Silva (2015)}, quienes reportaron en E. crassipes una concentración de extraíbles en solventes de 31.49 y 24.23 % para tallo y hojas, respectivamente; aunque son inferiores a los reportados por ^{Lakshminarayana et al. (1984)} (64.4 % de extraíbles en solventes en hojas y tallos). Los principales compuestos extraíbles pueden ser ceras, resinas, ácidos grasos y sus ésteres, sustancias insaponificables y clorofila ( ^{Sluiter et al., 2005}). Se ha descrito que este tipo de compuestos pueden actuar como catalizadores en la oxidación de lignocelulosa, específicamente de la hemicelulosa y la lignina (^{Burgois, Bartholin, & Gutonnet, 1989}), y que la edad de la planta tiene un efecto importante en su concentración.

Para el caso de los compuestos extraíbles en agua, se pudo observar que la mayor cantidad se presentó en las hojas (Figura 3E). En el proceso de extracción en agua se obtienen carbohidratos no estructurales, sales y algunas sustancias nitrogenadas. Las muestras colectadas en Jalisco presentaron el mayor porcentaje de extraíbles acuosos, con un valor promedio de 20 % en hojas y 15 % en tallos, lo que concuerda con lo reportado por ^{Tan et al. (2008)}. Estos resultados sugieren que hay un efecto tanto de la zona de colecta como de la fracción de la planta.

Finalmente, el contenido de holocelulosa fue muy parecido en todas las fracciones, aunque fue ligeramente mayor en las muestras colectadas en la Ciudad de México (Figura 3C). Los carbohidratos presentes en la holocelulosa son de gran interés, ya que se pueden emplear en una gran variedad de procesos biotecnológicos, como la producción de bioetanol (^{Guragain et al., 2011}). La concentración de holocelulosa encontrada (alrededor de 32 %) difiere con lo descrito por otros autores, lo que puede deberse a las diferencias climáticas, edad de la planta, altitud, zona geográfica, entre otras cosas.

^{Balasubramanian et al. (2012)} observaron que la cantidad de holocelulosa en lirio acuático colectado en tres diferentes cuerpos de agua en India no era consistente, debido a que varió de 68.8 a 78. 6 %; además, encontraron que dicho porcentaje se veía afectado por la parte de la planta (raíces, peciolos u hojas). Los contenidos de holocelulosa reportados por otros autores en muestras de E. crassipes, provenientes de zonas geográficas diferentes, fueron: 53.3 % (^{Abraham & Kurup, 1996}), 66.9 % (^{Nigam, 2002}), 52.9 % (^{Gunnarsson & Petersen, 2007}), 67.6 % (^{Kumar, Singh, & Ghosh, 2009}), 51.7 % (^{Sornvoraweat & Kongkiattikajorn, 2010}), 47.5 % (^{Ma et al., 2010}) y 41.6 % (^{Gao et al., 2013}).

Por otra parte, el Cuadro 2 presenta los resultados del análisis de contraste (comparación entre medias), y se puede observar que la relación Estado-Fracción no presentó diferencia significativa; es decir, que tanto los tallos como las hojas (fracciones) de las plantas colectadas en un mismo estado no presentan diferencias significativas. El resto de las comparaciones mostraron diferencias entre sí. A manera de ejemplo, la relación Estado-Cenizas implica que el contenido de cenizas de las plantas es diferente en cada uno de los estados. En general, el análisis de contraste indicó que tanto las fracciones (hoja y tallo), como los componentes (cenizas, extraíbles en agua, en solvente y contenido de holocelulosa) y el estado (Ciudad de México, Hidalgo, Jalisco y Tabasco) presentan diferencias estadísticas cuando se comparan entre sí.

Debido a la variabilidad observada entre las muestras y para determinar si la zona de colecta influye en la composición de la planta, a partir del análisis de DMS se formaron grupos homogéneos (Cuadro 3). Se puede observar que en el contenido de cenizas, las muestras provenientes de Jalisco, que fueron las que presentaron menor cantidad de este compuesto, no mostraron diferencias con respecto a las muestras de la Ciudad de México en la fracción de HM. Para el caso de la lignina, la mayor cantidad se detectó en las muestras de Hidalgo, estado que no formó grupos en ninguna fracción, mientras que la lignina presente en TC, TM y TG no difiere estadísticamente entre sí, ya que se forman los mismos grupos.

La concentración de holocelulosa mostró mayor heterogeneidad tanto en tallos como en hojas, en donde las muestras de TC, TM y TG de la Ciudad de México se agruparon de manera independiente. Lo mismo ocurrió con los compuestos extraíbles en solventes; de los cuales, las muestras de la Ciudad de México fueron independientes a los otros estados, esto para el caso de HC, HM y HG, y las muestras de Jalisco fueron las que mostraron las mayores diferencias, a excepción de HC (Cuadro 3). Finalmente, en los compuestos extraíbles en agua se observó que las muestras de Jalisco tuvieron la mayor concentración de estos compuestos, y no mostraron similitud con las muestras de los otros estados.

De manera general, los resultados obtenidos pueden facilitar la toma de decisiones en cuanto al procesamiento del lirio acuático para diversos procesos biotecnológicos, como la obtención de carbohidratos, o como posible indicativo de contaminación de cuerpos de agua.

Conclusiones

Los resultados proporcionan información sobre la composición química del lirio acuático (E. crassipes) de cuatro zonas de México (Ciudad de México, Hidalgo, Jalisco y Tabasco), las cuales presentaron gran heterogeneidad. Tanto las hojas como los tallos mostraron diferencias estadísticas significativas en su composición química. Las muestras provenientes de Tabasco tuvieron la mayor concentración de cenizas, las de Hidalgo la mayor concentración de lignina y las de Jalisco los mayores porcentajes de compuestos extraíbles en agua. Por otro lado, la holocelulosa fue la que mostró la mayor variabilidad con diferencias mínimas significativas, tanto a nivel de zona de colecta como de fracción de planta. Lo anterior sugiere que para el procesamiento de la planta es importante tomar en cuenta la zona geográfica y la fracción de la misma.