Potential use of huizache (Acacia farnesiana L. Will) in phytoremediation of lead-contaminated soils

Oscar Landeros-Márquez¹; Ricardo Tejo-Calzada^1¶; Manuel Reveles-Hernández²; Ricardo David Valdez-Cepeda³; Jesús Guadalupe Arreola-Ávila¹; Aurelio Pedroza-Sandoval¹; José Ruíz-Torres¹

¹ Unidad Regional Universitaria de Zonas Áridas, Universidad Autónoma Chapingo. Domicilio conocido Bermejillo, Durango. Apartado Postal 8, C. P. 35230, MÉXICO. (^¶Autor para correspondencia) Correo-e: rtrejo@chapingo.uruza.edu.mx.

² Campo Agrícola Experimental Zacatecas. INIFAP. km 24.5 carretera Zacatecas-Fresnillo. Apartado Postal 18. Calera de V.R., Zacatecas, C. P. 98500. MÉXICO.

³ Centro Regional Universitario Centro Norte, Universidad Autónoma Chapingo, Apartado Postal 196, CP 98001, Zacatecas, Zacatecas, MÉXICO.

Recibido: 23 de agosto, 2010
Aceptado: 21 de septiembre, 2010

RESUMEN

Se ha realizado un gran número de estudios para identificar los efectos de los metales pesados en plantas cultivadas y en algunas especies consideradas como hiperacumuladoras. Sin embargo, pocos esfuerzos se han dedicado a la evaluación de especies vegetales nativas de zonas áridas para fitorremediación. Este estudio se llevó a cabo exsitu para evaluar la tasa de fitoextracción de plomo en Acacia farnesiana L. Will. Se utilizaron árboles jóvenes (n=48), colocados en macetas plásticas, en donde se agregó una combinación de tres concentraciones de plomo (0, 250 y 500 mg·kg^-1) en forma de Pb(NO₃)₂ y cuatro dosis de nitrógeno (0, 100, 300 y 500 mg·kg^-1) en forma de Fosfo-Nitrato (33-03-00). Se evaluó la tasa fotosintética y la concentración de plomo en raíz, tallo y hoja. Las dosis de nitrógeno y las concentraciones de plomo por separado no produjeron diferencias significativas en la tasa fotosintética de las plantas de huizache, pero la interacción entre esos dos factores fue estadísticamente significativa (P=0.0074), encontrándose que la mayor acumulación de plomo ocurrió en la parte aérea de la planta con una media de 352.34 mg·kg^-1.

Palabras clave: Contaminación, plomo, fitoextracción, fotosíntesis, Acacia farnesiana.

ABSTRACT

Several studies have been carried out in order to identify the effects of heavy metals in cultivated plants and in some species considered as hyperaccumulators. However, little efforts have been performed on assessment of native species in arid areas for phytoremediation. The current study was carried out ex situ in order to evaluate lead phytoextraction rate in Acacia farnesiana L. Will. Young plants (n=48) were placed in plastic pots, in which a combination of three concentrations of lead was added (0, 250 y 500 mg·kg^-1) in the form of Pb(NO₃)₂ and four nitrogen doses (0, 100, 300 y 500 mg·kg^-1) in the form of phospho-nitrate (33-03-00). Photosynthetic rate and lead concentration in root, stem and leaf were evaluated. Nitrogen doses and lead concentrations separately didn't provoke significant differences in photosynthetic rate of acacia plants, however, the interaction between these factors was statistically significant (P=0.0074), observing that the highest accumulation of lead was in aerial parts of the plants with a mean of 352.34 mg·kg^-1.

INTRODUCCIÓN

La contaminación de suelos con metales pesados ha sido ampliamente documentada y se han desarrollado diferentes tecnologías para eliminar o reducir esos problemas (Miteva et al., 2001); al respecto, la fitorremediación es una tecnología económica basada en el uso de plantas acumuladoras de metales para removerlos del suelo (Lasat, 2002).

Asimismo, se emplean enmiendas al suelo y otras técnicas agronómicas para eliminar, retener o disminuir la toxicidad de los contaminantes del suelo (Chaney et al., 1997). Estas tecnologías reúnen gran número de ventajas, sobre todo limpieza y economía, aunque dan resultado sólo a mediano y largo plazo, ya que requieren varios ciclos; una de estas tecnologías es la fitoextracción, que se basa en la absorción de los contaminantes del suelo por las plantas (Salt et al., 1998). Dentro de ella se han empleado dos estrategias básicas: A) Fitoextracción continua, perdurable a largo plazo, la cual se lleva a cabo por plantas hiperacumuladoras capaces de acumular en parte aérea concentraciones muy altas de metales; B) Fitoextracción inducida, se debe a la adición al suelo de un complejante que incremente la solubilidad del contaminante en cuestión, elevando drásticamente su concentración en la disolución del suelo y por tanto su biodisponibilidad, lo que favorece la toma del metal por la raíz. Lo anterior permite emplear especies vegetales acumuladoras con alta biomasa, en lugar de hipe-racumuladoras (Huang et al., 1997).

El desarrollo reciente de tecnología de fitorremediación marca un progreso significativo en este campo; esto permite el empleo de plantas para quitar agentes contaminantes o hacerlos inocuos (Salt et al., 1998), concibiendo a la planta como mecanismos constitutivos y/o adaptables para la acumulación y la tolerancia en la rizosfera exportando los metales y limpiando el suelo (Khan et al., 2000). Según Meagher (2000), la fitorremediación es ampliamente considerada como una alternativa responsable ecológicamente y a un bajo precio; comparada con los métodos caros físicos y/o químicos que actualmente se desarrollan, la fitoextracción de metales pesados ha surgido como una nueva promesa rentable y alternativa a los métodos de descontaminación convencionales a base de ingeniería (Salt et al., 1995).

Las investigaciones recientes han mostrado que enmiendas químicas con quelatos sintéticos orgánicos, pueden aumentar la biodisponibilidad de metales pesados en el suelo, lo cual optimiza la respuesta de las plantas y el desplazamiento de los metales pesados de las raíces a las partes aéreas del vegetal (Huang et al., 1997; Epstein et al., 1999); otra práctica muy común es el uso de fertilizantes cuando se aplica en suelos contaminados con metales pesados. Los fertilizantes inorgánicos son considerados como aditivos del suelo que proveen nutrientes necesarios para plantas de alto rendimiento y para acidificar el suelo, obteniendo así una mayor biodisponibilidad (Lasat, 2000).

Se ha demostrado que la adición de fertilizantes al suelo puede provocar un incremento en la fitoextracción de metales pesados por plantas acumuladoras; por ejemplo, la urea incrementa el cadmio intercambiable y soluble en agua del suelo, probablemente a través de la acidificación (Brown et al., 2003). El ión amonio puede provocar la desorción de metales pesados de los sitios de intercambio o de los coloides del suelo mediante intercambio de iones, y así facilitar la absorción por las plantas. El impacto ambiental de los contaminantes metálicos en suelos y sedimentos, es estrictamente dependiente de la capacidad de complejamiento de éstos con componentes del medio ambiente y su respuesta a las condiciones fisicoquímicas y biológicas de su entorno (McGowen et al., 2001).

Numerosos estudios se han llevado a cabo para identificar los efectos de los metales pesados en plantas cultivadas y en algunas especies consideradas como hiperacumuladoras. Sin embargo, pocos esfuerzos se han dedicado a la evaluación de los efectos de los metales pesados en poblaciones vegetales nativas y sus efectos colaterales en los ecosistemas y la diversidad genética y biológica.

A pesar del gran potencial de la fitorremediación y los muchos experimentos realizados para establecer una adecuada metodología, el empleo de plantas para la descontaminación de suelo está todavía en la fase de desarrollo; como ha sido afirmado por Van Der Lelie et al. (2006), hay todavía una necesidad urgente de la investigación que apunte fundamentalmente al conocimiento de mecanismos implicados en el suelo y la deposición de los metales en la planta, así como proyectos de demostración para optimizar los procesos de fitorremediación y convencer a tomadores de decisión y al público sobre las ventajas de la técnica.

MATERIALES Y MÉTODOS

La presente investigación se llevó a cabo ex situ en las instalaciones de la Unidad Regional Universitaria de Zonas Áridas de la Universidad Autónoma Chapingo en Bermejillo, Dgo., para lo cual se utilizó suelo libre de plomo colectado en el ejido La Victoria, Mapimí, Dgo. El suelo fue analizado química y físicamente según norma NOM-021-RECNAT-2000 (SEMARNAT, 2002). La capacidad de intercambio catiónico (CIC) se determinó mediante extracción con acetato de amonio, la conductividad eléctrica (CE) con conductivímetro, el contenido de materia orgánica mediante el método de Walkley Black, el porcentaje de carbonatos y bicarbonatos por el método volumétrico y colorimetría, el porcentaje de sodio intercambiable (PSI) y la relación de absorción de sodio (RAS) mediante cuantificación de cationes solubles por espectrofotometría de absorción atómica. La textura fue determinada por el método del hidrómetro de Bouyoucos, mientras que la capacidad de campo y el punto de marchitez permanente fueron determinados con membrana y olla de presión, respectivamente.

Semillas de huizache fueron germinadas y hechas crecer en vasos de poliuretano de 250 ml, con turba (peat moss). Macetas de plástico fueron llenadas con 7 kg de suelo, y en ellas se trasplantaron las plántulas de huizache de cuatro semanas de edad. Dos semanas después del trasplante se aplicaron las dosis de nitrato de plomo y fosfonitrato en solución acuosa. El experimento se estableció bajo un diseño bifactorial en bloques completos y aleatorizados con cuatro repeticiones. Los factores de variación consistieron en tres concentraciones de plomo en el suelo (0, 250 y 500 mg·kg^-1) en forma de Pb(NO₃)₂ y fertilización nitrogenada en cuatro niveles (0, 100, 300 y 500 mg·kg^-1 de N) en forma de Fosfo-Nitrato (33-03-00).

La preparación de muestras vegetales para análisis en el espectrofotómetro de absorción atómica se hizo de acuerdo con la metodología de Chau et al. (1980). Se tomaron muestras de hoja, tallo y raíz de huizache y se colocaron en estufa de secado a 70^o hasta peso constante. Las muestras secas se molieron con mortero y se pesaron 0.5 g de materia seca de hojas, tallos o raíz que fueron colocadas en matraces de 250 ml, a los cuales se le agregaron 10 ml de mezcla digestora de ácido nítrico (HNO₃) y ácido perclórico (HClO₄) en una relación 3:2. Las muestras se colocaron en una plancha de calentamiento a 100 ^oC hasta quedar la digestión de un color transparente. Se retiraron las muestras de la plancha y una vez frías se filtraron con papel filtro Whatman Núm. 40, en un matraz de aforación de 100 ml tipo A. Después de filtrar, se aforó a 100 ml con agua tridestilada y se mezcló perfectamente. Las muestras se leyeron por triplicado en un espectrofotómetro Perkin Elmer AA analyst 2200^®.

Para la determinación de la tasa fotosintética de huizache jimol CO₂·m^-2s^-1), se utilizó un medidor portátil LICOR LI-6400^®, en el cual se usó una concentración constante de CO₂ de referencia de 400 μmol CO₂'m^-2·s^-1 con una fuente externa de este gas, y el flujo de aire se ajustó a 400 μmol·s^-1. La tasa se estimó empleando el factor de corrección para hojas pinnadas desarrollado por Carmona-Hernández et al. (2007).

El análisis estadístico se hizo con el software MINITAB versión 14 (Minitab, Inc., 2000) y SAS Versión 9.0 (SAS Institute, 2004). Los datos fueron procesados por un análisis de varianza y prueba de medias de Tukey.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las dosis de nitrógeno y las concentraciones de plomo no produjeron diferencias significativas en la tasa fotosintética de las plantas de huizache (Figura 1). Sin embargo, la interacción entre esos dos factores fue altamente significativa (P=0.0074) y la media general de tasa fotosintética fue de 17.06 μmol·m^-2·s^-1. El tratamiento 12, en el que se aplicaron 500 ppm Pb y 500 ppm N fue en el que se detectó la máxima tasa de fotosíntesis (27.3 μmol·m^-2·s^-1) de las plantas de huizache (Cuadro 1).

Una alta tasa fotosintética en la presencia de altas concentraciones de plomo en el sustrato puede ser indicativo de que el huizache pudo desarrollar mecanismos de defensa, entre los que se pueden encontrar la acumulación de plomo en la pared celular inmovilizando los iones y evitando sus efectos tóxicos o bien mecanismos de detoxificación como se han encontrado en Allium sativum (Jian y Liu, 2010). Además, el nitrógeno pudo haber contribuido a que los efectos del plomo fueran reducidos (Rodríguez-Ortíz et al., 2006), lo cual se confirma con los resultados de este estudio en donde se identificó una tendencia de incremento en la tasa fotosintética a medida que se incrementaron las concentraciones de plomo y de nitrógeno en el sustrato en el que creció el huizache (Figura 1). La acumulación de metales pesados provoca estrés oxidativo y la aclimatación a condiciones de estrés mediante la inducción de genes relacionados con respuesta al estrés oxidativo puede hacer que se altere la tasa fotosintética (Rossel et al., 2007). Estudios llevados a cabo por Athanasiou et al. (2010) muestran que algunas plantas tienen la habilidad de aclimatar su fotosíntesis en condiciones de estrés a través de cambios estructurales o por medio de cambios subcelulares. En el huizache podría estar involucrada alguna respuesta que permitió mantener la fotosíntesis aun en las condiciones de mayor concentración de plomo.

Acumulación de Pb en huizache

Los tratamientos aplicados en este estudio provocaron una acumulación significativamente diferente en raíz, tallo y hojas de huizache. Tanto en hoja como en tallo, la mayor acumulación de plomo ocurrió cuando se aplicó la máxima concentración del metal en el sustrato (500 mg·kg^-1), y la menor acumulación coincidió con tratamientos en los que no se aplicó plomo. El tratamiento de 500 mg·kg^-1 de plomo y 300 mg·kg^-1 de nitrógeno produjo una menor acumulación de plomo en tallos, comparada con los demás tratamientos (P<0.05). En contraste, el mismo tratamiento provocó la máxima acumulación de plomo en raíz. No se detectaron diferencias significativas entre los valores de acumulación total de plomo. En general, hubo una tendencia a mayor acumulación de plomo en tallos y hojas, comparada con la acumulación en raíces. La detección de plomo en plantas del tratamiento testigo podría deberse al plomo presente en el suelo empleado para el experimento (Cuadro 2).

La acumulación diferencial de plomo en los órganos de la planta podría estar relacionada con un papel del nitrógeno favoreciendo la translocación del plomo a las partes aéreas de la planta. En Tlaspi caerulescens se ha encontrado que la hiperacumulación de metales pesados en la parte aérea de la planta incluye al menos cuatro eventos fisiológicos: un influjo estimulado de metales a través de las membranas plasmáticas de las células de la raíz, una reducida secuestración de metales en las vacuolas de las raíz, un incremento en la carga del xilema para transporte hacia el tallo y finalmente un influjo estimulado a través de la membrana plasmática de células de la hoja y el secuestro del metal en la vacuola de la hoja (Milner y Kochian, 2008).

Los resultados de este trabajo difieren de los encontrados por Rodriguez-Ortiz et al., (2006), en los que reportan altos niveles de Pb en plantas de tabaco (Ni-cotiana tabacum L.), por efecto de la dosis nitrogenada con nitrato de amonio mostrando un incremento en la acumulación de materia seca y la acumulación de Cd y Pb. Sin embargo, considerando la acumulación total de plomo, en este estudio se encontraron tratamientos que favorecieron una bioacumulación superior a la concentración del metal en el sustrato.

En este estudio se identificó que la acumulación de plomo en huizache tiende a aumentar de la siguiente manera: [PbTallo] > [Pb Hoja] > [Pb Raíz] (Figura 2). Esta distribución de la acumulación de plomo en los tejidos de huizache puede servir para la determinación de métodos de manejo en un proceso de fitorremediación de suelos contaminados con metales pesados. En virtud de que los tallos son los que más acumulan el metal pesado, esta especie podría ser empleada en fitoestabilización, pues es posible reforestar los suelos y mantener los árboles durante muchos años en los que se puede ir acumulando el plomo extraído de los suelos. Por otra parte, sería importante evaluar en qué medida la acumulación de plomo en las hojas puede afectar a consumidores secundarios en la cadena trófica. Aunque no hay claridad en la forma en que algunas especies hiperacumuladoras incorporan y toleran mayores concentraciones de metales pesados en tallos y hojas, se ha propuesto que algunos aminoácidos, ácidos orgánicos, fitoquelatinas y otros compuestos orgánicos pueden estar involucrados (Milner y Kochian, 2008).

En otras especies, como Cajanas cajan, se ha encontrado un gradiente decreciente de acumulación metales pesados de la raíz a los tallos, hojas y semillas (Roy et al., 2010). La concentración de plomo medida en la raíz de huizache incluyó el metal presente en el espacio libre o apoplasto antes de la endodermis y el plomo incorporado al simplasto. Esto indica que el empleo de una fuente de plomo muy soluble como el Pb(NO₃)₂, podría haber favorecido que el plomo en primer lugar fuera absorbido en la raíz e incorporado rápidamente al flujo de transpiración de la planta, y por ende se acumulara más en las partes aéreas.

CONCLUSIONES

Las dosis de plomo y nitrógeno en el suelo por separado no provocaron diferencias significativas en la acumulación de plomo en las plantas de huizache. Sin embargo, la interacción dosis de nitrógeno y concentración de plomo causó diferencias significativas en la acumulación de plomo de hoja, tallo y raíz. Hubo una tendencia a mayor acumulación del metal en la parte aérea de la planta, comparada con la acumulación registrada en la raíz.

En general, la mayor acumulación de plomo en los tejidos de las plantas de huizache ocurrió en tratamientos con las mayores dosis de plomo en el suelo. La mayor acumulación de plomo en tallo (218 ppm) ocurrió en plantas que crecieron en suelo con 500 ppm de plomo y 0 ppm de nitrógeno. En tanto que la mayor acumulación de plomo en las hojas ocurrió en plantas bajo el tratamiento de 500 ppm de plomo y 100 ppm de nitrógeno. En el caso de la raíz, la mayor acumulación de plomo se produjo en plantas bajo el tratamiento de 500 ppm de plomo y 300 ppm de nitrógeno.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo se llevó a cabo gracias al apoyo del Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Duran-go (COCYTED) a través de Fondos Mixtos Durango.

LITERATURA CITADA

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