Retención y partición de los hidrocarburos aromáticos policíclicos en Sarcocornia fruticosa de dos marismas de Portugal

Retention and partitioning of polycyclic aromatic hydrocarbons in Sarcocornia fruticosa from two Portuguese salt marshes

M Martins^*, AM Ferreira, C Vale

IPIMAR-INRB, National Institute of Biological Resources, Av. Brasilia, 1449-006 Lisbon, Portugal. *E-mail: mmartins@ipimar.pt

Recibido en febrero de 2008.
Aceptado en agosto de 2008.

Resumen

Se cuantificaron 16 hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs, por sus siglas en inglés; con tres a seis anillos) en sedimentos de las marismas de Rosário y Mitrena, de los estuarios del Tajo y el Sado, respectivamente, y en los tejidos subterráneos y aéreos de Sarcocornia fruticosa, una planta que habita en estas marismas. Los sedimentos de Rosário presentaron mayores concentraciones de PAHs (0.83-8.71 μg g^-1) que los de Mitrena (0.22-1.63 μg g^-1). Los niveles de PAHs en los tejidos vegetales subterráneos mostraron un contraste pronunciado entre los dos sitios: 84-165 μg g^-1 y 0.15-0.43 μg g^-1, respectivamente. El material subterráneo de las capas contaminadas contuvo de 9 a 55 veces más PAHs que los sedimentos, mientras que en las capas menos contaminadas se obtuvieron razones menores a 1. Los componentes con cinco y seis anillos predominaron (60-75%) en los sedimentos y en el material vegetal subterráneo de ambas marismas. En ninguna de ambas marismas los tejidos vegetales aéreos presentaron diferencias entre las concentraciones (0.17-0.18 ng g^-1) ni en la composición de PAHs, detectándose sólo compuestos de tres y cuatro anillos. Este estrecho intervalo de concentraciones parece indicar que los depósitos atmosféricos son la vía predominante de acumulación de PAHs en los tejidos aéreos de las plantas.

Palabras clave: hidrocarburos aromáticos policíclicos, marismas, Sarcocornia fruticosa, sedimentos, tejidos vegetales aéreos, tejidos vegetales subterráneos.

Abstract

Sixteen PAH compounds (containing three to six rings) were quantified in sediments from the Rosário and Mitrena salt marshes in the Tagus and Sado estuaries, respectively, colonized by Sarcocornia fruticosa, and in belowground and above-ground plant tissues. Sediments from Rosário presented higher PAH concentrations (0.83-8.71 μg g^-1) than those from Mitrena (0.22-1.63 μg g^-1). Levels in belowground plant tissues showed a pronounced contrast between the two marshes: 84-165 and 0.15-0.43 μg g^-1, respectively. Belowground material in contaminated layers contained 9-55 times more PAHs than sediments, while ratios lower than one were obtained in lower contaminated layers. Five- and six-ring compounds predominated (60-75%) in sediments and belowground plant material from both sites. Aboveground plant tissues presented no differences in PAH concentrations (0.17-0.18 ng g^-1) and composition in both marshes, only three- and four-ring compounds being detected. This narrow concentration range appears to indicate that atmospheric deposition is the predominant pathway of PAH accumulation in aerial plant tissues.

Introducción

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) son un grupo de compuestos formados por dos o más anillos aromáticos fusionados, de origen natural o antropogénico (Colombo et al. 2005). Los PAHs en los sedimentos estuarinos urbanos son principalmente de origen pirolítico y de derrames accidentales de petróleo (Lin et al. 2002, Zhang et al. 2004, Blanco et al. 2006). Varios trabajos han reportado la presencia de PAHs en vegetales y plantas halófitas de marismas (e.g., Kipopoulou et al. 1999, Gao y Zhu 2004, Watts et al. 2005, Martins et al. 2008). Se han identificado dos vías para la acumulación de PAHs en las plantas. Pueden introducirse a partir de sedimentos y suelos contaminados a través de las raíces y hacia los brotes de las plantas (Simonich y Hites 1995). La duración e intensidad de la exposición (Meudec et al., 2006), así como la lipofilia y solubilidad de estos compuestos influencían su acumulación (Wild y Jones 1992, Kipopoulou et al. 1999). La otra vía importante para su acumulación en las plantas, ha sido identificada en varios estudios a través de los depósitos atmosféricos de partículas o formas gaseosas de los PAHs sobre la cutícula cerosa de sus hojas (Harner y Bidleman 1998, Kipopoulou et al. 1999, Sharma et al. 2007). En este trabajo se comparan los niveles y composición de los PAHs en los tejidos aéreos y subterráneos de Sarcocornia fruticosa de dos marismas con diferentes niveles de contaminación en sus sedimentos. Se examinó la asimilación de los PAHs por las raíces y su movilización hacia los tejidos aéreos de la planta.

Material y métodos

Área de estudio

Las dos marismas estudiadas se encuentran a 50 km de distancia una de la otra en los estuarios del Tajo (Rosário) y del Sado (Mitrena) y están sujetas a la presión antropogénica de las zonas industriales de las ciudades de Barreiro y Setúbal, respectivamente. Ambas marismas se caracterizan por una zonificación típica con bancos homogéneos de Spartina maritima, Sarcocornia fruticosa, y Halimione portulacoides, y se inundan dos veces al día con agua salada por efecto de las mareas (2-4 m de amplitud mareal). Las plantas no mostraron evidencias de mortalidad.

Muestreo

Se obtuvieron seis núcleos de sedimentos de 25 cm de largo de bancos exclusivos de S. fruticosa en las marismas de Rosário y Mitrena en abril de 2005. Un núcleo fue cortado en capas de 5 cm separando los tejidos vegetales enterrados de los sedimentos que fueron secadas y pesadas para determinar la biomasa subterránea mediante la metodología descrita por Gross et al. (1991). Los otros cinco núcleos fueron cortados in situ en capas de 2 cm que fueron guardadas en papel de aluminio. En el laboratorio, los materiales vegetales subterráneos fueron separados cuidadosamente del sedimento con agua corriente usando una malla de 212 μm de luz, y tamizados para eliminar cualquier partícula adherida. Los sedimentos y los materiales vegetales subterráneos de cada capa de profundidad de los cinco núcleos se combinaron en dos juegos de muestras compuestas.

Métodos analíticos

Se trataron aproximadamente 10 g de sedimentos y 3 g de material vegetal aéreo con 1 mL de estándares sustitutos (SUPELCO) que contenían acenafteno-d10 (0.408 μg mL^-1), pireno-d10 (0.397 μg mL^-1), criseno-d12 (0.397 μg mL^-1) y perileno-d12 (0.433 μg mL^-1) y se extrajeron al Soxhlet con una mezcla de acetona/n-hexano por 36 h. El extracto se concentró por medio de un evaporador rotatorio y se fraccionó con una columna de vidrio de sílica-alúmina (1:1). El solvente se evaporó por medio de un evaporador rotatorio y luego se concentró bajo una corriente suave de N₂ para su análisis (Martins et al. 2008).

La determinación de PAHs se realizó en un sistema de cromatografía de gases y espectrometría de masas (GC-MS) GCQ Trace Finnigan con una columna MS DB-5 con película de 30 m × 0.25 mm × 0.25 μm de grosor (Argilent, EUA) en modo de selección iónica. Las condiciones GC-MS para el análisis de las muestras fueron las siguientes: la inyección se realizó mediante un auto muestreador en modo sin desdoblamiento a 280°C y la temperatura de la fuente de iones y la línea de interfase fueron mantenidas a 220°C. Se utilizó He como gas transportador a un flujo de 1.0 mL min^-1. La temperatura inicial del horno fue de 75°C, después se elevó a 130°C a razón de 20°C min^-1, seguida por un incremento hasta 320°C a razón de 4°C min^-1, manteniéndose a esta última temperatura por 15 min. Antes del análisis se realizaron corridas con estándares relevantes para verificar el funcionamiento, la altura máxima y la resolución de la columna. Con cada juego de muestras se analizaron un blanco de solvente, una mezcla de estándares y un blanco de procedimiento para verificar la contaminación, la identificación máxima y la cuantificación. Se analizaron 16 PAHs individuales: acenaftileno, acenafteno, fluoreno, fenan-treno y antraceno, de tres anillos; fluoranteno, pireno, benzo(a)antraceno y criseno, de cuatro anillos; benzo(b)fluo-ranteno, benzo(k)fluoranteno, benzo(e)pireno, benzo(a)pireno y dibenzo(ah)antraceno, de cinco anillos; e indeno(1,2,3-cd)pireno y benzo(g,h,i)perileno, de seis anillos. La identificación de estos compuestos se basó en la comparación de sus tiempos de retención y espectros de masas por GC con estándares individuales apropiados. Su concentración se realizó mediante el método del área de máximos estándares internos y usando dos curvas de calibración, con 9 puntos cada una, para cada compuesto en los intervalos de 0.05 a 3.0 ng g^-1 y de 1.3 a 54 ng g^-1. Los PAHs totales (tPAH) fueron la suma de todos los compuestos analizados y todos los resultados se expresaron en base a peso seco.

Control de calidad de los análisis

Se procesó un blanco de procedimiento por cada doce muestras para verificar su contaminación. No se detectó ninguno de los compuestos objetivos en los blancos de procedimiento para sedimentos o para tejidos vegetales aéreos ni subterráneos. Para mejorar el control de calidad analítico se usaron estándares sustitutos para balancear las pérdidas involucradas en la extracción y el manejo. Los estándares sustitutos en los materiales analizados presentaron buena precisión y altas recuperaciones (98.9%; n = 5). El control de calidad se obtuvo analizando material certificado SRM 1941b (NIST, EUA). Las recuperaciones y límites de detección (calculados con una proporción señal:ruido de 3:1 en un blanco de muestra) de los PAHs analizados en el material certificado se presentan en la tabla 1.

Análisis estadístico

Se utilizó la prueba no paramétricca de muestras pareadas de Wilcoxon (T) para evaluar la existencia de diferencias significativas (α = 0.05) en la composición de PAHs entre sedimentos y materiales vegetales subterráneos de cada marisma (Zar 1999).

Resultados

Biomasa subterránea y concentración de oxígeno disuelto

La biomasa subterránea de S. fruticosa se concentró en los primeros 17 cm de profundidad, con máximos de 1200 g m^-2 cerca de la superficie en Rosário y 800 g m^-2 a 7.5 cm de profundidad en Mitrena. Los niveles de oxígeno disuelto en los sedimentos de Rosário variaron entre 67 y 120 μM en los primeros 17 cm de profundidad, mientras que en Mitrena disminuyeron con la profundidad, de 200 μM en la superficie a valores indetectables a 15 cm de profundidad.

Concentraciones totales de PAHs en sedimentos y material vegetal subterráneo

Los sedimentos superiores de Rosário presentaron mayores concentraciones de PAHs (máx. 8.71 μg g^-1) que en Mitrena (máx. 1.63 μg g^-1), mientras que los sedimentos por debajo de los 10 cm mostraron valores similares en ambas marismas (0.22-1.69 μg g^-1; fig. 1). El material vegetal de los sedimentos superiores de Rosário contuvieron también mayores niveles de PAHs (máx. 165 μg g^-1) que los de Mitrena (max. 0.27 μg g^-1), mientras que en las raíces provenientes de los sedimentos inferiores de ambas marismas se encontraron intervalos similares de concentración (0.27-1.63 μg g^-1).

Distribución relativa de PAHs en los sedimentos y material vegetal subterráneo

En general, los compuestos de cuatro y cinco anillos representaron más del 70% de los tPAH, tanto en los sedimentos como en el material vegetal subterráneo de las capas superior e inferior (tabla 2). No obstante, la distribución de PAHs por número de anillos difirió significativamente (P < 0.05) entre los sedimentos de las dos marismas: en los sedmientos superiores de Mitrena fueron más abundantes los compuestos de tres anillos mientras que en Rosário lo fueron los de cinco; en los sedimentos inferiores se encontraron diferencias entre los sitios para todos los grupos. Las raíces mostraron también diferencias significativas entre Rosário y Mitrena en las capas superior (PAHs de cuatro, cinco y seis anillos) e inferior (PAHs de cuatro y cinco anillos).

Para evaluar la transferencia de PAHs de los sedimentos a las tejidos vegetales subterráneos de S. fruticosa se calculó la razón entre las concentraciones de PAHs de tres y seis anillos en la materia vegetal subterránea y las de los sedimentos en cada capa de profundidad (fig. 2). Esta proporción puede ser considerada como un factor de bioconcentración (BCF, por sus siglas en inglés). Los BCFs en el sitio menos contaminado (Mitrena) fueron menores que 1 para los cuatro grupos de compuestos a todas las profundidades, mientras que en Rosário fueron en general inferiores a 1 por debajo de 10 cm, pero variaron de 9 a 55 en las capas superiores de sedimentos. En general, en cada capa los BCFs para los compuestos de tres anillos excedieron los de los otros tres grupos.

Niveles y distribución relativa de los PAHs en los tejidos aéreos de S. fruticosa

Los tejidos vegetales aéreos de ambos sitios mostraron concentraciones similares de PAHs (0.17-0.18 μg g^-1) y los compuestos de tres y cuatro anillos contabilizaron 59% y 41% de los tPAH en Rosário y 53% y 47% en Mitrena, respectivamente. No se detectaron compuestos con cinco y seis anillos.

Discusión

Los resultados obtenidos en este estudio indican que los niveles de PAHs en la biomasa subterránea de S. fruticosa se incrementaron al aumentar las concentraciones en los sedimentos, lo que coincide con trabajos anteriores que mostraron que la retención de los PAHs por las raíces de las plantas de marismas (Collins et al. 2006, Meudec et al. 2006) y otros vegetales (Simonich y Hites 1995, Fismes et al. 2002) depende de su concentración en los sedimentos o suelos. Sin embargo, las bajas correlaciones entre los niveles de cada compuesto en los tejidos vegetales subterráneos y los sedimentos indica que la transferencia de PAHs desde los sedimentos contaminados hacia las raíces de S. fruticosa no fue de la misma magnitud para todos los compuestos analizados.

Los bajos BCFs (<1) obtenidos para las capas poco contaminadas indican que sólo se transfirió una pequeña fracción de PAHs de los sedimentos a las raíces. Además, esta transferencia se incrementó de los PAHs más pesados a los menos pesados, lo que significa que las interacciones raíz-sedimento estuvieron fuertemente influenciadas por un mecanismo de partición de fases mediante el cual los compuestos más pesados tienden a permanecer asociados con los sedimentos y los más ligeros pasan más fácilmente a las raíces. Este patrón ha sido observado en varios trabajos (eg., Liste y Alexander 2000, Simonich y Hites 1995, Collins et al. 2006) y evidencia la diferente movilidad de los PAHs.

La ausencia de compuestos de cinco y seis anillos en el material vegetal aéreo concuerda con la hipótesis de que tales compuestos no son transferidos más allá de las raíces (Kipopoulou et al. 1999, Watts et al. 2005). Si su transferencia hubiera sido proporcional a los niveles que entran a las raíces, entonces mayores niveles de PAHs de tres y cuatro anillos en las raíces de S. fruticosa de Rosário deberían haber resultado en mayores niveles en la materia vegetal aérea. No se observó este patrón; en cambio, los niveles en los tejidos aéreos de las plantas de ambos sitios fueron prácticamente los mismos (0.17-0.18 μg g^-1). La explicación más plausible para los niveles y composiciones de PAHs en los tejidos vegetales aéreos podría radicar en que los depósitos atmosféricos son la vía predominante para la acumulación de PAHs en esos tejidos de las plantas. Varios trabajos han mostrado que las hojas absorben PAHs de tres y cuatro anillos en sus fases de vapor, los cuales pueden permear a los lípidos directamente y residir en los tejidos aéreos "interiores" de las plantas (Bacci et al. 1990, Kipopoulou et al. 1999, Howsam et al. 2001). Ademas, los compuestos de cinco y seis anillos se encuentran asociados preferentemente a partículas atmosféricas depositadas sobre las hojas y que permanecen adheridas a su superficie (Kipopoulou et al. 1999, Collins et al. 2006). Tal contribución no fue cuanti-ficada en este estudio ya que los tejidos vegetales aéreos fueron lavadas antes de ser analizadas eliminando los compuestos más pesados asociados al polvo. Aparentemente la disponibilidad de los PAHs en los sedimentos y su asimilación por las raíces parece tener un efecto menor en los niveles existentes en los tejidos aéreos de S. fruticosa.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado por el proyecto MARE QCA III ("Impactes ambientais e poluição").

Referencias

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Nota

Traducido al español por Manuel Gardea-Ojeda.