Biomass distribution and lead accumulation in squash (Cucurbita pepo L.) grown in contaminated soil
Floriberto Solís–Mendoza; Jaime Sahagún–Castellanos1; Clemente Villanueva–Verduzco; María Teresa Colinas–León; María del Rosario García–Mateos
Departamento de Fitotecnia. Universidad Autónoma Chapingo, km 38.5 Carretera México–Texcoco. Chapingo, Edo. México. MÉXICO. C. P. 56230. Correo–e: jsahagunc@yahoo.com.mx (*Autor para correspondencia).
Recibido: 7 de diciembre, 2009.
Aceptado: 27 de marzo, 2012.
Resumen
Se estudió el efecto del suelo contaminado con plomo en el híbrido experimental de calabacita (Cucurbita pepo L.) denominado 'Termo'. Se cultivó calabacita en bolsas negras de polietileno, a cielo abierto. Se evaluaron las variables distribución de la producción de biomasa, altura de planta, contenido de clorofila y acumulación de plomo en raíz, tallo, hoja, flor y fruto. Los tratamientos fueron 0, 65, 300 y 1000 ppm de plomo aplicado al suelo a través de Pb(NO3)2. Se utilizó un diseño experimental de bloques completos al azar con seis repeticiones, y la unidad experimental fue una bolsa negra de polietileno con dos plantas. Las evaluaciones se hicieron 50 días después del trasplante para altura de planta y contenido de clorofila, y a los 52 días para peso fresco, peso seco y acumulación de plomo. Se observó que la altura de planta fue significativamente menor cuando se aplicó plomo a cualquier dosis. También se observó que la mayor acumulación de biomasa en raíz y tallo fue producida con la dosis 300 ppm y en fruto con 65 ppm de plomo, en tanto que la biomasa total y las unidades SPAD (clorofila) no resultaron afectadas. De las estructuras comestibles, la flor presentó una mayor acumulación del metal que el fruto. A bajas dosis de plomo, la flor fue la estructura que más lo acumuló. Esto sugiere que es conveniente evaluar el contenido de metales pesados en productos agrícolas para consumo humano, aun cuando provengan de suelos contaminados sin intención.
Palabras clave adicionales: Pb, metales pesados, hortalizas, contaminación, Cucurbita pepo L.
Abstract
The effect of lead–contaminated soil in hybrid squash "Termo" (Cucurbita pepo L.) was studied. The hybrid was grown in black polyethylene bags in the field. The variables evaluated were distribution of biomass production, plant height, chlorophyll content and lead accumulation in root, stem, leaf, flowers and fruits. The treatments were 0, 65, 300 and 1000 ppm lead applied to soil through Pb(NO3)2. The randomized complete block design with six replicates was used, and the experimental unit was a black polyethylene bag with two plants. Plant height and chlorophyll content evaluations were performed 50 days after transplantation, and fresh weight, dry weight and lead accumulation 52 days after transplantation. It was observed that plant height was significantly lower when lead was applied at any dose. The highest biomass accumulation in root and stem was produced with 300 ppm and in fruit with 65 ppm lead, while total biomass and SPAD units (chlorophyll) were not affected. In the case of edible structures, flowers had higher metal accumulation than fruits. Flowers showed the highest lead accumulation when lead doses were low. This suggests that it is appropriate to assess the content of heavy metals in agricultural products for human consumption, even when they come, supposedly, from uncontaminated soils.
Additional keywords: Pb, heavy metals, vegetables, pollution, Cucurbita pepo L.
INTRODUCCIÓN
]]> El constante incremento de la contaminación ambiental por compuestos químicos es uno de los problemas más importantes que amenazan a la humanidad. Además de los contaminantes de origen natural, el hombre produce anualmente más de 500 millones de toneladas de químicos que a través de los ciclos biogeoquímicos se acumulan en la biosfera. Entre los compuestos generados por el hombre están los metales pesados, y dentro de éstos, el plomo es uno de los más frecuentes en el aire, agua, suelo, plantas, animales y humanos (Kvesitadze et al., 2006).El plomo ha estado con la humanidad casi desde el comienzo de la civilización y ha sido "útil, sorprendente, impredecible, peligroso y mortal" (Emsley, 2005). La gran cantidad producida de este metal, su alto valor económico y el gran número de personas que se emplean en su extracción y transformación, hacen que sea un material extremadamente importante. Su uso tiene antecedentes cercanos al año 4000 a.C. (Casas y Sordo, 2006), y no obstante los riesgos que presenta, año con año aumenta la cantidad de metal utilizado.
Actualmente destaca el uso del plomo en la producción de acumuladores, elementos piezoeléctricos, pegamentos, vidrios, esmaltes, tintas, colorantes, lacas, protección contra rayos Gamma, y aditivo de gasolinas (en África, Medio Oriente, Asia y América Latina, excepto México, Brasil y Argentina). Es residuo importante en procesos de las industrias metalúrgica, química, farmacéutica, petroquímica y otras (Swaran et al., 2006).
En el aire hay concentraciones de plomo cercanas a los 11 ng·m–3, y su flujo anual de la atmósfera hacia los cuerpos de agua es de aproximadamente 0.817 kg·km–2.año–1, aunque esto depende del lugar (Hites, 2007). En suelo, el exceso de plomo disminuye la actividad microbiológica, aunque algunas especies de hongos microscópicos y bacterias son resistentes a compuestos de este metal. Los actinomicetos y bacterias que asimilan nitrógeno molecular son más sensibles al contaminante que otros grupos taxonómicos de microorganismos. Una concentración de plomo que disminuye la cosecha o la altura de planta en al menos 5 % se considera tóxica. Cuando el suelo contiene más de 50 mg·kg–1, la concentración en cultivos agrícolas excede el nivel permisible (Kvesitadze et al., 2006), y cuando excede los 300 mg·kg–1 requiere remediación obligada (USEPA, 1996).
En humanos, el 90 % del plomo se ingiere en los alimentos y del 60 al 70 % proviene de alimentos de origen vegetal. La concentración media en la sangre es menor que 10 µg·100 mL–1. Sin embargo, a 40 µg·100 mL–1 se afectan la conducta y el coeficiente intelectual; a 70 µg·100 mL–1 hay neuropatía periférica, y a una concentración mayor de 190 µg·100 mL–1 produce confusión y convulsiones (Hites, 2007), aunque son más frecuentes el saturnismo (envenenamiento crónico), anemia, lesión renal, reducción de la estatura, afectación de los sistemas nervioso central y periférico, supresión de la síntesis de proteínas, perturbación de las células del aparato genético, intoxicación de embriones y activación de procesos oncológicos (Cohen, 2001).
Las plantas también sufren los efectos de los contaminantes. Éstos penetran por raíz, tallo, hojas, floema y xilema. Los motores de combustión interna emiten partículas sólidas de compuestos de plomo (óxidos, cloruros, fluoruros, nitratos, sulfatos, etc.) junto con los gases liberados por el escape. Por ello, no es recomendable cultivar plantas, especialmente las de crecimiento rápido, cerca de carreteras (Kvesitadze et al., 2006), ya que el plomo puede permanecer como residuo por 1,000 a 3,000 años en suelos de clima templado (Bowen, 1979).
El plomo es considerado un metal no esencial para los vegetales; no obstante, al estar presente en los suelos también es disponible para las plantas (Alloway, 1994). Algunos de los síntomas generales de toxicidad, aunque inespecíficos a este metal, son hojas más pequeñas y menor altura en el crecimiento. Las hojas pueden llegar a ser cloróticas y con necrosis de color rojizo, y las raíces pueden adquirir un color negro. Su fitotoxicidad es baja, como si estuvieran muy limitadas la disponibilidad y la absorción desde el suelo. Sin embargo, las raíces de las plantas pueden absorber y acumular grandes cantidades, pero la translocación hacia brotes aéreos es generalmente limitada debido a que se une a las superficies de la raíz y a las paredes celulares (Mehra y Farago, 1994). En plantas cultivadas en suelos con concentraciones superiores a las que normalmente se encuentran en terrenos agrícolas (65 mg·kg–1), se ha encontrado que se interfiere la fotosíntesis y el crecimiento de las plantas, hay disminución en la biomasa y menor desarrollo de raíz, e inhibición de la biosíntesis de clorofila (Vangronsveld y Clijsters, 1994).
Con base en lo anterior, se planteó como objetivo evaluar la distribución de biomasa y la acumulación de plomo en calabacita (Cucurbita pepo L.) cultivar 'Termo' en un sustrato contaminado con diferentes contenidos de plomo.
MATERIALES Y MÉTODOS
]]> El experimento se realizó en Acolman, Estado de México, ubicado a 19° 36´ LN y 98° 58´ LO, y una altitud de 2,243 m. La siembra en charolas de germinación con suelo se hizo el 15 de agosto de 2007 y las plántulas se trasplantaron el 3 de septiembre, a cielo abierto. Se utilizó el híbrido experimental de calabacita 'Termo'. Se fertilizó con la fórmula 120–60–60, con una aplicación de fondo de 60–6060 y una segunda aplicación de 60–00–00. La fuente de fertilizante fue 15–15–15. Como fuente contaminante se utilizó Pb(NO3)2. El diseño experimental fue de bloques completos al azar con seis repeticiones. La unidad experimental fue una bolsa negra de polietileno con capacidad de 5.67 litros, con dos plantas. Los tratamientos fueron cuatro dosis de plomo (0, 65, 300 y 1000 ppm). Éstos fueron adicionados a las bolsas llenas con tierra agrícola. A los 52 días del trasplante (ddt) se evaluó el rendimiento en peso seco de los componentes estructurales de la planta: raíz, tallo, hojas, flores (masculinas y femeninas) y frutos (tiernos), de acuerdo con Roberts et al. (1988). Se midió la altura de planta (cm). El contenido de clorofila se determinó a los 50 ddt con el medidor portátil SPAD 502 (Minolta, Spectrum Tecnologies Inc., Illinois, USA), como lo sugieren Gutiérrez et al. (1998) y Rodríguez et al. (1998). En hojas maduras de 12 plantas por tratamiento se hicieron mediciones con el SPAD. Para analizar la concentración de plomo, las muestras se secaron a 65 °C durante 48 horas en una estufa eléctrica con circulación de aire forzado y posteriormente se molieron en un molino de cuchillas de acero inoxidable Thomas Willey Mill modelo ED–5 hasta pasar por malla del número 20 (Etchevers, 1988). Se tomaron 0.5 g del tejido seco y molido, y pesados en una balanza eléctrica Sartorius modelo BL610. Luego se colocó la muestra en un matraz de digestión y se adicionaron 10 mL de ácido nítrico concentrado, 2 mL de ácido sulfúrico y 1 mL de ácido perclórico. La mezcla reposó toda la noche y posteriormente se colocó en una estufa de digestión Lindenberg SB a 260 °C durante cinco horas, hasta que se obtuvo un extracto transparente y cristalino (digestado) con un volumen de 1.5 a 3 mL. Al extracto obtenido se le adicionó 10 mL de agua destilada, se agitó y después se transfirió a un matraz volumétrico de 25 mL utilizando un papel filtro (Whatman número 1) y se aforó (Alcántar y Sandoval, 1999). La concentración de Pb se determinó por espectrofotometría de absorción atómica (Chapman y Pratt, 1991) en un equipo SpectrAA 220 marca Varian, con lámpara Varian, registrando la absorbancia a una longitud de onda de 283.3 nm.El análisis estadístico de los datos de cada variable consistió en un análisis de varianza y una prueba de comparación de medias (Tukey, P ≤ 0.05). Se usó el programa SAS versión 8.0 (SAS Institute, 1999).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Acumulación de biomasa total
Los pesos secos promedio de la biomasa total no difirieron estadísticamente (P ≤ 0.05, Cuadro 1); es decir, la acumulación de biomasa total no se afectó por las dosis de plomo estudiadas.
Acumulación de biomasa estructural
Se encontraron diferencias significativas (P ≤ 0.05) entre las medias de materia seca correspondientes a las cuatro dosis de plomo estudiadas en raíz, tallo, hoja y fruto (Cuadro 1). Las mayores acumulaciones de materia seca en raíz y tallo fueron producidas en suelo contaminado con 300 ppm de Pb y 65 ppm de Pb para la biomasa de fruto.
Globalmente, de las cinco evaluaciones, la mayor acumulación de materia seca se presentó en hoja. La biomasa en flor no presentó diferencias en la acumulación de materia seca debido a la presencia del metal.
La hoja también fue la estructura que en todos los casos presentó la mayor acumulación de materia seca, y tendió a disminuir al aumentar la concentración de plomo en el suelo. A 1000 mg·kg–1 se encontraron 20.3 g·planta–1, estadísticamente inferior sólo al encontrado con 0 mg·kg1.
]]> Acumulación de biomasa de interés agronómicoLa flor y el fruto son estructuras de interés agronómico, ya que forman parte de la dieta alimenticia de muchas personas, especialmente en el centro de México. En el Cuadro 1 se observa que el rendimiento agronómico de flor no se afectó por la presencia de plomo en el suelo, ya que no hubo diferencias significativas (P ≤ 0.05). No obstante, se observó que la acumulación de materia seca de flor tuvo una tendencia a decrecer conforme se incrementó la concentración de plomo en el suelo.
El fruto tierno tuvo una acumulación de materia seca con diferencias significativas (P ≤ 0.05) entre tratamientos, y el mayor rendimiento (13.4 g. de materia seca por planta) se presentó en el tratamiento que incluyó 65 ppm de Pb (Cuadro 1). No obstante, a altas concentraciones del contaminante (1000 ppm de Pb) la materia seca acumulada por el fruto fue superior (14.3 %) a la del control.
Altura de planta
En altura de planta el testigo superó estadísticamente (P ≤ 0.05) a las de los tres tratamientos restantes, cuyas medias no presentaron diferencias estadísticas (Cuadro 2). Esta variable se comportó como se esperaba, de acuerdo con lo que reporta Alloway (1994) al referirse a los síntomas de toxicidad por plomo.
Contenido de clorofila
Los contenidos medios de clorofila, expresados en unidades SPAD, no presentaron diferencias significativas (P ≤ 0.05, Cuadro 2). Los resultados obtenidos para estas variables difieren de los obtenidos por Van Assche y Clijsters (1990), quienes encontraron que los metales pesados en el suelo, entre ellos el plomo, cuando se encuentran a altas concentraciones afectan la transpiración, respiración y fotosíntesis, lo que resulta en una menor acumulación de biomasa. En tanto que, según Vangronsveld y Clijsters (1994), a bajas concentraciones (65 ppm de Pb o menos) pueden no presentar efectos visibles adversos, aunque a nivel celular o molecular varios procesos sean afectados por la acumulación del metal y su incremento en la concentración local. La ausencia de efectos del plomo puede deberse a que para el tiempo de evaluación éstos todavía no se manifestaban.
Acumulación de plomo en la biomasa
Biomasa total
La acumulación de plomo en la biomasa total presentó diferencias significativas (P ≤ 0.05, Figura 1) entre las medias de los tratamientos, y una tendencia a una mayor acumulación del metal en la biomasa total conforme aumentó la concentración del mismo en el suelo.
]]>
Biomasa estructural
Excepto en fruto, hubo diferencias significativas (P ≤ 0.05) entre promedios de acumulación de plomo en las variables de biomasa estructural (raíz, tallo, hoja y flor) (Cuadro 3). La concentración estadísticamente superior (P ≤ 0.05) correspondió a la dosis de plomo de 1,000 mg·kg–1. Respecto a las diferencias entre las cinco variables, se observó que con las dosis de 0 y 65 mg·kg–1 la flor presentó los valores más altos de acumulación del metal, en tanto que el fruto, en esas concentraciones, acumuló más plomo que la raíz. En general, la acumulación de plomo tendió a aumentar conforme incrementó la concentración del metal en el suelo, y en la dosis de 1,000 mg·kg–1, la planta presentó una tendencia decreciente en la acumulación de plomo de la forma: raíz >tallo >hoja >flor >fruto (Cuadro 3).
En estructuras comestibles, la flor presentó una mayor acumulación de plomo que el fruto tierno. A la concentración de 65 ppm de Pb y en el control, la flor fue la estructura que más plomo acumuló y, a las mismas concentraciones, la acumulación del metal en flor y en fruto fue mayor que en raíz. Las diferentes estructuras acumularon más plomo conforme aumentó la concentración del metal en el suelo.
Los resultados obtenidos presentaron una tendencia contraria a la que reporta la literatura, lo que pudo deberse a que en la planta de calabacita, cultivada en suelo contaminado con plomo, se activó una o más de las siguientes respuestas al estrés: a) enmascaramiento del efecto del metal por la inducción de enzimas de efecto indirecto (peroxida–sas, catalasas, eterasas), b) activación de mecanismos de defensa que evitan la interacción del metal y su sitio de acción (unión del metal a paredes celulares, traslocación a compartimentos como vacuola, o captura en citoplasma por fitoquelatinas), o c) contraataque al proceso de daño por el metal (moléculas antioxidantes como el glutatión, ácido ascórbico, α–tocoferol, hidroquinonas, β–carotenos, flavonoides) (Van Assche y Clijsters, 1990; Vangronsveld y Clijsters, 1994; Mehra y Farago, 1994; Hall, 2002).
La acumulación de plomo en flor y fruto tiende a aumentar conforme aumenta el contenido de este metal en el suelo. Esto es explicable por: a) el sistema vascular tan desarrollado de la calabaza (cantidad y diámetro) derivado de sus hojas grandes con mucha área foliar, y b) la gran variedad de transportadores de metales presentes en las plantas, como transportadores ABC (ATP–binding cassette), Nramps (Natural resistance associates macrophague proteins), las familias CDF (Cation difusión facilitator), ZIP (ZRT, IRT–like proteins), y antiporters de cationes (Hall y Williams, 2003; Lee et al., 2005).
]]> CONCLUSIONES
El plomo aplicado al suelo con plantas de calabacita redujo su altura conforme se incrementó la concentración del metal, y produjo las mayores concentraciones encontradas de biomasa en raíz y tallo con las concentraciones de 300 ppm de Pb y en fruto con la concentración 65 ppm de Pb. Sin embargo, en biomasa total y flor, así como el contenido de clorofila, no se presentaron diferencias estadísticas significativas (P ≤ 0.05). La acumulación de plomo en la biomasa total, así como en los diferentes órganos de la planta, aumentó conforme fue mayor el contenido del metal en el suelo.
En estructuras comestibles, la flor siempre mostró concentraciones de Pb más altas que el fruto, y con 1,000 ppm de Pb la flor fue la estructura que más metal acumuló. Por esto es conveniente determinar el contenido de Pb en la calabacita para consumo humano, aun si proviene de suelos supuestamente no contaminados.
AGRADECIMIENTOS
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por la beca otorgada al primer autor para realizar estudios de doctorado, y a la Universidad Autónoma Chapingo.
LITERATURA CITADA
ALCÁNTAR, G. G.; SANDOVAL V., M. 1999. Manual de Análisis Químico de Tejido Vegetal. Publicación especial 10. Sociedad Mexicana de la Ciencia del Suelo, A. C. Chapingo, Estado de México, México. 156 p. [ Links ]
]]>ALLOWAY, B. J. (ed.). 1994. Heavy Metals in Soils. Springer; 2nd edition, USA. 384 p. [ Links ]
BOWEN, H. J. K. 1979. Environmental Chemistry of the Elements. Academic press, New York. 333 p. [ Links ]
CASAS, J. S.; SORDO, J. 2006. An overview of the historical importance, occurrence isolation, properties and applications of lead. In: CASAS, J. S.; SORDO, J. (eds.). Lead Chemistry, Analytical Aspects, Environmental Impact and Health Effects. Elsevier, U.K. pp. 1–40. [ Links ]
CHAPMAN, H. D.; PRATT, P. F. 1991. Métodos de Análisis para Suelos, Plantas y Agua. Editorial Trillas, S. A. de C. V., D. F., México. 195 p. [ Links ]
COHEN, S. M. 2001. Lead poisoning: a summary of treatment and prevention. Pediatric Nursing 27: 125–130. [ Links ]
]]>EMSLEY, J. 2005. The Elements of Murder. Oxford university press, Oxford. 421 p. [ Links ]
ETCHEVERS B., J. D. 1988. Manual de Métodos de Análisis de Suelos, Plantas, Aguas y Fertilizantes. Colegio de Postgraduados en Ciencias Agrícolas, Montecillo, México. 125 p. [ Links ]
GUTIÉRREZ R., M.; SAN MIGUEL CH., R.; NAVA S., T.; LARQUÉ S., A. 1998. Métodos Avanzados en Fisiología Vegetal Experimental. Colegio de Postgraduados, Campus Montecillo, Texcoco, México. 119 p. [ Links ]
HALL, J. L. 2002. Celular mechanisms for heavy metal detoxification and tolerance. Journal of Experimental Botany 366: 1–11. [ Links ]
HALL, J. L.; WILLIAMS, L. E. 2003. Transition metal transporters in plants. Journal of Experimental Botany 393: 2601–2613. [ Links ]
]]>HITES, R. A. 2007. Elements of Environmental Chemistry. John Wiley & Sons, U.S.A. 204 p. [ Links ]
KVESITADZE, G.; KHATISASHVILI, G.; SADUNISHVILI, T.; RAMSDEN, J. J. 2006. Biochemical Mechanisms of Detoxification in Higher Plants. Basis of Phytoremediation. Springer–Verlag Berlin. Germany. 262 p. [ Links ]
LEE, M.; LEE, K.; LEE, J.; NOH, E. W.; LEE, Y. 2005. AtPDR12 Contributes to lead resistance in Arabidopsis. Plant Physiology 138: 827–836. [ Links ]
MEHRA, A.; FARAGO, M. E. 1994. Metal Ions and Plant Nutrition. In: M. E. FARAGO (ed.) Plants and the Chemical Elements. Biochemistry, Uptake, Tolerance and Toxity. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, Germany. pp. 31–66. [ Links ]
ROBERTS, M. J.; LONG, S. P.; TIESZEN, L. L.; BEADLE, C. L. 1988. Medición de la Biomasa Vegetal y de la Producción Primaria Neta. In: J. COOMBS; HALL, S. O.; LONG, S. P.; SCURLOCK, J. M. O. (eds.). Técnicas de Fotosíntesis y Bio–productividad. Editorial Futura, Texcoco, México. pp. 1–16. [ Links ]
]]>RODRÍGUEZ M., M. N.; ALCANTAR G., G.; AGUILAR S., A.; ETCHEVERS B., J. D.; SANTIZO R., J. A. 1998. Estimación de la concentración de nitrógeno y clorofila en tomate mediante un medidor portátil de clorofila. Terra 16: 135–141. [ Links ]
SAS Institute. 1999. SAS/STAT. User's Guide. Version 8, Vol. 1–5. SAS Publishing. Cary, N.C. 3848 p. [ Links ]
SWARAN, J. S. F.; GOVINDER, F.; GEETU, S. 2006. Environmental Occurrence, Health Effects and Management of Lead Poisoning, In: CASAS, J. S.; SORDO, J. (eds.). Lead Chemistry, Analytical Aspects, Environmental Impact and Health Effects. Elsevier, U.K. pp. 158–228. [ Links ]
USEPA (U.S. Environmental Protection Agency). 1996. Soil Screening Guidance. Technical Background Document. U.S. Gov. Print. Office, Washington, D.C. USEPA Rep.540/R–95/128. [ Links ]
VAN ASSCHE, F.; CLIJSTERS, H. 1990. Effects of metals on enzyme activity in plants. Plant, Cell and Environment 13:195–206. [ Links ]
]]>VANGRONSVELD, J.; CLIJSTERS, H. 1994. Toxic Effects of Metals. In: FARAGO, M. E. (ed.). Plants and the Chemical Elements. Biochemistry, Uptake, Tolerance and Toxity. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, Germany. pp. 149–177. [ Links ]
]]>