http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.20663.52642

Efectos de la aplicación de una mezcla de oligogalacturónidos sobre un suelo contaminado cultivado con plántulas de tomate

Effects of the application an oligogalacturonide mixture on a polluted soil cultivated with tomato seedlings

M.Cs. Omar E. Cartaya-Rubio,^I Ana M. Moreno-Zamora,^I  Yenisei Hernández-Baranda,^I Dr.C. Juan A. Cabrera-Rodríguez,^I  Dr.C. Fernando Guridi-Izquierdo^II

^IInstituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), gaveta postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, CP 32 700.

^IIUniversidad Agraria de La Habana (UNAH), San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

Se realizó un ensayo con un suelo contaminado por cobre (Cu), a fin de evaluar el riesgo asociado a la aplicación de técnicas de fitorremediación con quelatos (mezcla de Ogal) en estos casos. Se plantearon diferentes situaciones: suelo normal sin adición de Ogal (control), suelo contaminado sin adición de Ogal y suelo contaminado y concentraciones de Ogal de 20, 40, 60 80 y 100 kg ha^-1 respectivamente. Se midió el contenido de cobre pseudo total en el suelo, pH y materia orgánica del suelo y longitud (aérea y subterránea) de las plantas de tomates. Los resultados muestran que la longitud de las plantas que crecieron en un medio contaminado sin la aplicación de producto sufrieron un descenso significativo con relación al control; sin embargo, a las que se les aplicó el producto, disminuyeron su longitud, pero no tan marcadamente como las anteriores. Por otro lado, los cationes del sistema experimentaron un aumento de su movilidad con la presencia de la mezcla de Ogal, siendo mayor su fitoextracción cuando se aplican dosis de 60 kg ha^-1.

Palabras clave: quelatos, fitorremediación, metales pesados, tomate, movilidad de elementos, oligogalacturónidos.

ABSTRACT

It was carried out a rehearsal with a contaminated soil by copper (Cu), in order to evaluate the risk associated to the application of technical of phytorremediation with chelates (Ogal mixture) in these cases. They thought about different situations: normal soil without addition of Ogal (control), polluted soil without addition of Ogal and polluted soil and Ogal concentrations of 20, 40, 60 80 and 100 kg ha^-1 respectively. The pseudototal copper content was measured in the soil, pH and organic matter of the soil and longitude (air and underground) of the tomato plants. The results show that the lenght of the plants that grew in a polluted soil without the product application suffered a significant descent with relationship to the control; however, to those that was applied the product, they diminished their lenght, but not so markedly as the previous ones. On the other hand, the cation of the system experiented an increase of their mobility with the presence of the Ogal mixture, being bigger their phytoextration when dose of 60 kg is applied.

Key words: quelatos, phytorremediation, heavy metal, tomato, mobility of elements, oligogalacturonides.

INTRODUCCIÓN

Dentro de los graves problemas que enfrenta hoy la humanidad, se encuentra la contaminación acelerada de los suelos y el aire. Toda contaminación trae consigo el deterioro del medio ambiente y, por consiguiente, la imposibilidad  de  disponer de los recursos naturales con la inocuidad requerida. La contaminación por metales pesados constituye hoy una de las principales fuentes de detrimento del entorno (1).

La agricultura no es ajena a esta problemática, debido al uso intensivo de plaguicidas y fertilizantes, así como las prácticas incorrectas de drenaje o de riego. Se debe tener en cuenta, además, el auge alcanzado por la agricultura urbana en los últimos tiempos, en la que se utilizan materiales como sustratos, que pueden incrementar la contaminación de las áreas (2).

Arduos son los intentos por encontrar vías que permitan recuperar los recursos que se encuentran contaminados por metales pesados, fundamentalmente los suelos, fuente inagotable de alimentos. Pero la vía para ello no cobra importancia si los materiales que son utilizados en la descontaminación de los mismos y en la producción de alimentos, continúan siendo agresivos al medio ambiente.

Durante estos años, se ha desarrollado la biorremediación como una posible  solución futura a muchos problemas de contaminación, debido a que es considerada,  en todo el mundo, como una tecnología innovadora para el tratamiento de residuos tóxicos (3); dentro de esta, se encuentra la fitorremediación, que se basa en el empleo de plantas para limpiar ambientes contaminados, siendo la fitoextracción  y la fitoestabilización, las técnicas más aplicadas (4).

Es conocido que uno de los mecanismos de tolerancia más importante utilizado por las plantas para reducir la toxicidad por metales pesados, lo constituye la formación de complejos con ligandos orgánicos. En este sentido, la mezcla de oligogalacturónidos (Ogal) presenta una alta proporción de cargas, lo cual les permite la formación de enlaces con los metales pesados, formando complejos (5, 6). Sin embargo, no está establecido el efecto que pueda existir entre estas moléculas y los iones metálicos, así como tampoco el papel en la detoxificación y en los procesos de crecimiento y desarrollo de las plantas (7, 8).

Por lo que nos trazamos como objetivo, evaluar el efecto de la aplicación de una mezcla de Ogal en la absorción de iones metálicos del suelo, por plántulas de tomate.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se recolectó suelo clasificado como Ferralítico Rojo Lixiviado (9), en los terrenos pertenecientes al Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA) y se preparó una disolución CuSO₄.5H₂O en cantidad equivalente a 700 mg kg^-1 (suelo) de Cu, añadiéndosela al suelo con siete días de antelación a la siembra de las semillas de tomate de la variedad Amalia.

Todos los experimentos se llevaron a cabo en el departamento de Fisiología y Bioquímica Vegetal del INCA, en un cuarto de luces, manteniéndose en condiciones de 24 ± 2°C de temperatura, 12 horas luz de fotoperíodo y una humedad relativa del 40 %, durante 35 días.

La mezcla de Ogal se obtuvo en el INCA, a partir de la hidrólisis enzimática de pectina de la corteza de cítricos, según la metodología  propuesta por Cabrera^A, con grado de polimerización (GP) entre 6 y 16 y como planta hiperacumuladora se utilizaron semillas de tomate de la variedad Amalia, germinadas en macetas, cada una con una capacidad de 0,2 kg de suelo. En la Tabla I se muestra la descripción detallada de cada uno de los tratamientos.

La aplicación al suelo se realizó a los 10-15 días de emergidas las plantas. Se utilizaron diez recipientes plásticos por cada tratamiento, con una planta cada uno, el experimento se realizó por triplicado, con un diseño completamente aleatorizado y el riego se realizó, según las normas técnicas del cultivo.

A los 40 días de emergidas las plantas, las raíces se lavaron con agua corriente y fueron colocadas en solución de CaCl₂ por 10 minutos, procurando retirar los metales adsorbidos en las paredes de las raíces y, posteriormente, se lavaron con abundante agua desionizada. Se evaluó la longitud de la raíz, la altura de las plantas y el contenido de metales pesados, en los diferentes órganos de la planta.

CARACTERIZACIÓN DE LOS SUELOS EMPLEADOS

A los suelos normal y contaminado se les determinó el contenido de materia oregánica (MO), según el método de Walkley y Black (10) y el pH por el método potenciométrico con una relación suelo:agua de 1:2,5.

MÉTODOS PARA LA CUANTIFICACIÓN DE LOS ELEMENTOS METÁLICOS

Para la determinación del contenido de cobre pseudo total en suelo, 0,5 g de las muestras fueron sometidas a extracción con una mezcla de HCL/ HNO₃ (3:1)(v/v) en un horno de microondas.

Para la determinación del contenido de metales pesados en plantas, se tomaron 0,5 g de muestra seca y pulverizada de la parte aérea y de la raíz, respectivamente, y se adicionaron 4 mL de HNO₃ 6 mol L^-1, la extracción se realizó en un horno de microondas. Posteriormente, los extractos resultantes fueron analizados por espectrofotometría de absorción atómica con llama en un equipo NovAA 350 con LD (mg kg^-1) de 0,01 para Cu.

MEDICIÓN DE LA LONGITUD RADICULAR Y ALTURA DE LAS PLANTAS

Altura de la planta: las mediciones de la longitud de la planta se hicieron desde la raíz, hasta el brote de la hoja terminal, con la ayuda de una regla graduada de 1 mm de aproximación.

Longitud de la raíz: las mediciones de la longitud de la raíz, desde la base del cuello hasta la cofia, con la ayuda de una regla graduada de 1 mm de aproximación.

Los resultados se analizaron por análisis de varianza (ANOVA) de clasificación simple, en caso de diferencias significativas, las medias se compararon según la prueba de Tukey (p<0,05) (11). Para el procesamiento de los datos se utilizó el paquete estadístico STATGRAPHICS Plus versión 5.1 para Windows (12), previamente se chequeó la distribución normal (Kolmogorov- Smirnov) (13), y la homogeneidad de varianza (14).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Tabla II se muestran los resultados correspondientes a los principales parámetros agronómicos que influyen de manera determi­nante en la disponibilidad y la distribución de los metales pesados en el suelo (15).

Al analizar las características del suelo normal y el que se contaminó artificialmente, el contenido de cobre biodisponible en el suelo contaminado es de 650 mg kg^-1, lo que representa un nivel de contaminación para el Cu. Estos  valores se encuentra por encima de los rangos establecidos por la literatura nacional e internacional. Además, es notable el cambio presentado en la magnitud del pH al comparar el suelo normal y el contaminado, ya que al contaminar el suelo los valores de pH cambian desde el neutro a valores ácidos (16).

El pH del suelo contaminado se encuentra en valores ácidos, lo que puede influir notablemente en la fertilidad del mismo. Este aspecto es muy importante, ya que a valores de pH cercanos a 7, los macronutrientes tienen una elevada movilidad en el suelo y su mayor tasa de asimilación por las plantas; mientras que, la adsorción de los metales pesados por las mismas se ve limitada, por lo que los valores de pH bajos del suelo contaminado, favorecen la absorción de niveles extremadamente excesivos o tóxicos de estos elementos, fenómeno que suele ocurrir en plantas desarrolladas en sustratos con pH ácido (17).

También los bajos valores de la materia orgánica en el suelo pueden garantizar una alta disponibilidad de los iones metálicos, ya que la materia orgánica regula la biodisponibilidad de los metales pesados por enlazarse a los mismos (18).

En la Figura 1 se observa el contenido de iones cobre en las raíces y la parte aérea de las plantas de tomate cuando se aplica la mezcla de Ogal al suelo. El contenido de iones cobre en las plantas crecidas en el medio contaminado, es mayor que las del tratamiento control (T1), existiendo diferencias significativas entre ellas; sin embargo las plantas que crecieron en el medio contaminado y se les aplicó la mezcla de Ogal, presentan mayor contenido que las que no se les aplicó el producto (T2).

Al analizar el comportamiento de las plántulas que crecieron en el medio contaminado, con diferentes dosis de la mezcla de Ogal, las que mayores contenido de iones cobre presentaron en las raíces y la parte aérea fue el tratamiento donde se aplicó una dosis de 60 kg ha^-1, presentando diferencias significativas con los demás tratamientos.

Los resultados encontrados mostraron que los metales pueden formar complejos estables con la mezcla de Ogal, pasando a formar parte, con el tiempo, de una forma química disponible y, si no es retenido por otra fracción del suelo, puede permanecer en la solución del suelo y ser absorbido por las raíces de las plantas. Otro factor de vital importancia es el pH ácido del suelo, que facilita el intercambio de los protones de los grupos carboxílicos, que son completamente solubles con los iones de  los metales absorbidos, lo que facilita también la formación de los complejos metálicos (19, 20).

De ahí la disminución del contenido de estos elementos en la fracción biodisponible del suelo, y esto se refleja en el aumento del contenido de metales en las plantas que se trataron con la mezcla de Ogal.

Resultados que confirman el incremento en el contenido de Cu, Mn y Zn en los órganos vegetales provocados por la aplicación de EDTA al suelo fueron encontrados por Peu (21), quienes informaron que la aplicación de este agente quelatante incrementó el contenido de dichos metales en los tejidos de plantas nativas crecidas en ecosistemas semiáridos.

Al analizar el efecto de la mezcla de Ogal cuando se aplica al suelo en la altura de las plantas de tomate (Figura 2) se observa que las plantas que crecieron en condiciones normales (T1) presentan mayor altura en relación con las que crecieron en el medio contaminado, con diferencias significativas entre ellas, lo que muestra el efecto fitotóxico de este ión en las plantas de tomate.

En el caso de las plantas crecidas en el medio contaminado, las que estuvieron con la presencia del produco en el suelo, presentan un mayor crecimiento con respecto a las que crecieron sin la aplicación del mismo, existiendo diferencias significativas entre ellas. Por otro lado, las plantas que crecieron con diferentes dosis del producto en el suelo no presentaron diferencias significativas entre ellas.

Estos resultados parecen indican que la mezcla de Ogal estimula el crecimiento en altura también cuando las plantas están sometidas a un estrés por un metal pesado (22).

Los metales pesados no solo afectan el crecimiento de las plantas, por una disminución significativa del potencial osmótico del sustrato, sino por su propia toxicidad. Un exceso de metales pesados o de sus quelatos solubles puede inducir una serie de alteraciones bioquímicas y fisiológicas, entre las que se encuentra la inhibición  del crecimiento de la raíz (23, 24). Se conoce que para la mayoría de las especies vegetales, la raíz, es el órgano más afectado por altos niveles de metales, siendo la inhibición del crecimiento radical, el síntoma de toxicidad más observado (25).

En la Figura 3 se muestra la longitud de la raíz de las plantas cuando se aplica la mezcla de Ogal al suelo, de forma general, se observa un mayor crecimiento en la longitud radical de las plantas que crecieron en un medio normal (T1), sobre las que crecieron en un medio contaminado, mostrando diferencias significativas entre ellas.

Sin embargo, al analizar el comportamiento en la longitud radical de las plantas que crecieron en el medio contaminado, a las que se les aplicó el producto, mostraron menor longitud con respecto a las plantas controles, mostrando diferencias significativas entre ellas; pero con resultados superiores a las que crecieron en el medio contaminado, sin la aplicación de producto (T2), mostrando diferencias significativas entre ellas.

Al observar las plantas que crecieron en el medio contaminado con la aplicación de producto al suelo, las plantas que estuvieron sometidas a una dosis de 60  kgha^-1 o superiores, mostraron mejores valores en la longitud de la raíz.

Este comportamiento sugiere que la aplicación de la mezcla de Ogal a dosis de 60 kg ha^-1 o superiores, puede atenuar la toxicidad o al menos estimula el alargamiento de la raíz principal de las plantas de tomate del cultivar Amalia, sometidas a un medio con altos niveles de metales pesados.

De forma general, queda demostrado que cantidades excesivas de metal en el suelo afectan, de manera adversa, el crecimiento y desarrollo de las plantas. Procesos biológicos como la germinación de la semilla y crecimiento vegetativo se ven afectados por las altas concentraciones de metales.

Como resultado del estrés metálico, las plantas pueden responder con un amplio rango de respuestas fisiológicas a nivel molecular, celular y de organismo. Estas incluyen, por ejemplo, cambios en el desarrollo y la morfología de las plantas (inhibición del crecimiento apical, incremento en el crecimiento de las raíces y cambios en el ciclo de vida), ajuste en el transporte iónico (concentración, expulsión y secuestro de iones) y cambios metabólicos (metabolismo del carbono y la síntesis de solutos compatibles).

Resultados de la literatura demuestran que las raíces de las plantas se acortan y engrosan, debido a que los iones metálicos actúan directamente sobre el metabolismo, interfiriendo en la transferencia de iones, a través de las membranas celulares, lo cual afecta posteriormente la habilidad de la planta para la absorción de agua y nutrientes del suelo (26, 27).

CONCLUSIONES

Al aplicar la dosis  60 kg ha^-1 al suelo se logran niveles de extracción de iones Cu²⁺ por las plántulas de tomate completas de 25, 47 mg kg^-1, lo que favorece el proceso de fitoextracción de este ion metálico por plantas hiperacumuladoras.

NOTA AL PIE

^ACabrera, J. C. Obtención de una mezcla de oligogalacturónidos a partir de corteza de cítrico. Tesis de Doctorado, INCA, 2000, La Habana, Cuba, 100 p.

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Recibido: 22/07/2015
Aceptado: 16/02/2016

M.Cs. Omar E. Cartaya Rubio, Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas (INCA), gaveta postal 1, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, CP 32 700. Email: ocartaya@inca.edu.cu